秦健健，喬繼禹，鐘芳平，石明全，2

（1.中國(guó)科學(xué)院 重慶綠色智能研究院 嘉興工業(yè)設(shè)計(jì)工程中心，浙江 嘉興 314000；2.中國(guó)科學(xué)院 重慶綠色智能研究院，重慶 400714；3.浙江歐迪恩傳動(dòng)科技股份有限公司，浙江 嘉興 314200）

0 引言

等速傳動(dòng)萬(wàn)向節(jié)軸承是位于汽車渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和兩個(gè)車輪之間的一種動(dòng)力連接傳動(dòng)裝置，是現(xiàn)代汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，主要由等速萬(wàn)向節(jié)與傳動(dòng)軸組成[1-5]。等速萬(wàn)向節(jié)一般包括固定端萬(wàn)向節(jié)和移動(dòng)端萬(wàn)向節(jié)，其作用為在可變角度工況下將轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速?gòu)妮斎攵说人賯鬟f到輸出端，其中移動(dòng)端為三樞軸式等速萬(wàn)向節(jié)[6-8]。

等速萬(wàn)向節(jié)的性能好壞直接影響到汽車正常駕駛的舒適性與駕駛安全性。為了不斷提高現(xiàn)代汽車萬(wàn)向節(jié)整體的運(yùn)動(dòng)操縱性與綜合動(dòng)力性，必須深入研究并不斷提高汽車萬(wàn)向節(jié)的傳動(dòng)性能和使用壽命。因此，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，了解和掌握萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)過(guò)程中各零件的應(yīng)力分布和大小，分析其結(jié)構(gòu)易疲勞部位，繼而指導(dǎo)設(shè)計(jì)過(guò)程，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，就顯得尤為重要[9]。

早期的工程師通過(guò)理論計(jì)算得到了滾道磨損部位的大體規(guī)律[10]。楊曙光等[11]使用ANSYS對(duì)三樞軸式等速萬(wàn)向節(jié)進(jìn)行分析與計(jì)算，以指導(dǎo)萬(wàn)向節(jié)的設(shè)計(jì)。吳昌林等[12]在分析三球銷式等速萬(wàn)向節(jié)工作原理及各種接觸碰撞模型的基礎(chǔ)上，建立了萬(wàn)向節(jié)含間隙結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型，并通過(guò)算例進(jìn)行了驗(yàn)證。陳佳華[13]提出了預(yù)測(cè)萬(wàn)向節(jié)軸承疲勞壽命的計(jì)算方法，分析了部分影響萬(wàn)向節(jié)軸承疲勞壽命的因素及這些因素如何對(duì)疲勞壽命產(chǎn)生影響。

本文采用通用接觸算法，先對(duì)等速萬(wàn)向節(jié)進(jìn)行了靜力學(xué)分析，然后對(duì)等速萬(wàn)向節(jié)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，將得到的靜力學(xué)ODB文件和動(dòng)力學(xué)載荷譜文件相結(jié)合，對(duì)等速萬(wàn)向節(jié)進(jìn)行了疲勞分析。

1 基本理論

1）剛體動(dòng)力學(xué)方程為

3）三樞軸式等速萬(wàn)向節(jié)理論分析。

三樞軸式等速萬(wàn)向節(jié)由外輪、樞軸、軸承圈及滾針等組成，其結(jié)構(gòu)和受力如圖1所示。

圖1 三樞軸式等速萬(wàn)向節(jié)結(jié)構(gòu)和受力

公式確認(rèn)零度夾角時(shí)，γ=0°，α=90°，代入式（1）得到單個(gè)軸承載荷為

2 建模方法

圖2所示為等速萬(wàn)向節(jié)疲勞分析的基本流程，圖3所示為幾何簡(jiǎn)化模型。首先，使用ABAQUS對(duì)等速萬(wàn)向節(jié)進(jìn)行靜力學(xué)分析，施加給定載荷和約束，得到靜力學(xué)分析結(jié)果ODB文件；然后，根據(jù)工況使用ADAMS建立動(dòng)力學(xué)分析模型，得到疲勞分析的載荷譜文件；最后，以計(jì)算得到的ODB文件和載荷譜文件為輸入條件，計(jì)算等速萬(wàn)向節(jié)的疲勞。材料設(shè)置如表1所示。計(jì)算模型如圖4所示。

圖2 疲勞分析的基本流程

圖3 幾何簡(jiǎn)化模型

圖4 計(jì)算模型

表1 材料參數(shù)

3 疲勞分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3.1 疲勞分析預(yù)測(cè)

采用FE-SAFE軟件進(jìn)行疲勞分析，將載荷譜文件、靜力學(xué)分析結(jié)果和材料參數(shù)輸入軟件中，得到結(jié)構(gòu)的疲勞分析云圖，載荷譜文件和材料的S-N曲線如圖5、圖6所示。仿真分析得到的疲勞云圖如圖7所示。

圖5 載荷譜文件

圖6 材料的S-N曲線

從分析結(jié)果可以看出：在不考慮淬火的情況下，外輪（圖7（a））最短壽命出現(xiàn)在花鍵部位和外輪內(nèi)滾道表面，外輪滾道內(nèi)表面會(huì)出現(xiàn)少許凹坑；當(dāng)對(duì)數(shù)壽命約為6.353（即旋轉(zhuǎn)次數(shù)為2 254 239次）時(shí)，外輪花鍵（圖7（b））表面材料可能發(fā)生破壞；軸轂最短壽命出現(xiàn)在軸轂與軸承內(nèi)圈擠壓部位，軸轂（圖7（c））的表面材料平均對(duì)數(shù)壽命約為6.181（即旋轉(zhuǎn)次數(shù)約為1 517 050次）時(shí)，軸轂表面會(huì)出現(xiàn)輕微凹坑；軸承內(nèi)圈（圖7（f））最短壽命出現(xiàn)在軸承內(nèi)圈與滾針接觸部位，軸承內(nèi)圈危險(xiǎn)截面平均對(duì)數(shù)壽命為6.323（即旋轉(zhuǎn)次數(shù)約為2 103 778次）時(shí)，軸承內(nèi)圈可能會(huì)發(fā)生破壞；軸承外圈（圖7（d））最短壽命出現(xiàn)在軸承外圈與滾針接觸部位，軸承外圈危險(xiǎn)截面平均對(duì)數(shù)壽命約為6.551（即旋轉(zhuǎn)次數(shù)約為3 556 313次）時(shí)，軸承外圈可能會(huì)發(fā)生破壞；滾針（如圖7（e））危險(xiǎn)截面平均對(duì)數(shù)壽命約為6.423（即旋轉(zhuǎn)次數(shù)約為2 648 500次）時(shí)，滾針可能會(huì)發(fā)生破壞。

圖7 疲勞云圖

3.2 疲勞實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選取正常溫濕度狀態(tài)下，使用等速驅(qū)動(dòng)軸扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)臺(tái)，樣件數(shù)量為3，根據(jù)國(guó)家汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定扭轉(zhuǎn)次數(shù)為2×105次，實(shí)驗(yàn)后觀察裂紋或斷裂情況。

如圖8（a）所示，轉(zhuǎn)向器連接到萬(wàn)向節(jié)總成，施加正反方向轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式為

式中：M為試驗(yàn)轉(zhuǎn)矩值，N·m；M0為額定輸出轉(zhuǎn)矩，N·m，大于1700 N·m者按1700 N·m計(jì)算；iω為轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比；ηp為平均正傳動(dòng)效率值，取0.70。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8（b）、表2所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試

表2 三樞軸式等速萬(wàn)向節(jié)扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.3 對(duì)比分析

三樞軸式等速萬(wàn)向節(jié)使用國(guó)標(biāo)測(cè)試方法，所測(cè)3組樣品扭轉(zhuǎn)疲勞壽命均大于2×105次，未發(fā)生顯著崩壞，達(dá)到實(shí)驗(yàn)次數(shù)時(shí)，應(yīng)力集中區(qū)域確有表面可見的輕微凹陷，所得結(jié)果與仿真分析得到的指導(dǎo)結(jié)果大體相同，證實(shí)了該仿真分析思路的可行性。

4 結(jié)論

針對(duì)等速萬(wàn)向節(jié)設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn)成本高、性能影響范圍廣的特點(diǎn)，將多領(lǐng)域的有限元仿真方法引入等速萬(wàn)向節(jié)的設(shè)計(jì)階段中，只需設(shè)計(jì)階段的初始模型及材料參數(shù)便可獲得其各種工況下的疲勞壽命預(yù)測(cè)。對(duì)現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的三樞軸式等速萬(wàn)向節(jié)進(jìn)行系統(tǒng)性的仿真分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以提早發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的薄弱位置，然后通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)來(lái)改善零件間接觸關(guān)系，可以提高萬(wàn)向節(jié)的可靠性。使用本文方法，將較為成熟的靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)有限元仿真相結(jié)合，可以得到比較準(zhǔn)確的零件壽命預(yù)測(cè)。同時(shí)在對(duì)薄弱環(huán)節(jié)的分析方面，疲勞分析相比單純的靜力學(xué)分析擁有更加準(zhǔn)確的時(shí)間屬性，可更加詳細(xì)地指導(dǎo)設(shè)計(jì)。