林方軍，劉艷萍，王海龍，遲述迪，王震震

1.山東蓬翔汽車有限公司 山東煙臺(tái) 265600

2.煙臺(tái)科技學(xué)院智能工程學(xué)院 山東煙臺(tái) 265600

商用車生產(chǎn)企業(yè)對(duì)動(dòng)力匹配都有較高的要求，特別是一些自卸車及重型牽引車，此類汽車單級(jí)減速驅(qū)動(dòng)橋一般難于滿足使用要求，通常采用單級(jí)減速器與輪邊減速器相結(jié)合的雙級(jí)減速驅(qū)動(dòng)橋。

此布置可加大驅(qū)動(dòng)橋的速比，提高整車的動(dòng)力性，同時(shí)可縮小主減速器的外型尺寸，增大離地間隙，提升整車的通過(guò)性[1]。輪邊減速器內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括行星輪系，行星齒輪與行星輪軸之間多采用滾針軸承結(jié)構(gòu)[2]。

輪邊減速器結(jié)構(gòu)如圖1所示。作為自卸車動(dòng)力總成的關(guān)鍵部件，輪邊減速器要適合復(fù)雜工況且持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間工作，其出現(xiàn)故障的概率較大，且后果很嚴(yán)重。

圖1 輪邊減速器結(jié)構(gòu)

通過(guò)某驅(qū)動(dòng)橋輪邊減速器行星輪軸和滾針軸承失效模式，進(jìn)行強(qiáng)度的理論計(jì)算和Abaqus有限元分析，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，滿足使用要求。

故障信息

對(duì)某輪邊減速器的故障模式進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，其故障模式主要有滾針軸承磨損碎裂、行星輪軸磨損、行星輪墊片磨損及行星輪架磨損等，故障模式如圖2所示，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

圖2 故障模式

表1 故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

從表1可以看出，滾針軸承磨損碎裂占比37.5%，行星輪軸磨損占比35.7%，滾針軸承磨損碎裂與行星輪軸磨損故障占比接近，可認(rèn)為此兩種故障模式基本同時(shí)發(fā)生，兩故障模式占比高達(dá)73.2%。由此可見(jiàn)，行星輪軸磨損和滾針軸承磨損碎裂是驅(qū)動(dòng)橋輪邊減速器的主要故障模式。

原因分析

針對(duì)某驅(qū)動(dòng)橋輪邊減速器主要的故障模式滾針軸承磨損碎裂和行星輪軸磨損，采用FAT分析法，通過(guò)故障樹(shù)，查找故障原因（見(jiàn)圖3和圖4）。

圖3 滾針軸承故障樹(shù)

圖4 行星輪軸故障樹(shù)

通過(guò)對(duì)兩種主要故障模式中間事件和底層事件的分析[3]，需要加強(qiáng)客戶使用及維護(hù)保養(yǎng)的培訓(xùn)；提升制造精度，加強(qiáng)制造過(guò)程質(zhì)量管控，降低生產(chǎn)過(guò)程帶來(lái)的失效風(fēng)險(xiǎn)。接觸應(yīng)力大，除了整車匹配動(dòng)力過(guò)大，造成驅(qū)動(dòng)橋的輸出轉(zhuǎn)矩過(guò)大、超載運(yùn)行之外，滾針軸承布置及行星輪軸軸徑不合理會(huì)導(dǎo)致行星輪系強(qiáng)度不足，需從設(shè)計(jì)上優(yōu)化結(jié)構(gòu)，提升其強(qiáng)度，滿足使用要求。

優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.輪邊行星輪系受力分析

按照某商用車配置參數(shù)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩、變速器一擋速比和橋總成速比，計(jì)算出車橋最大輸出轉(zhuǎn)矩T為44 000N·m。按輪邊行星輪系結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，如圖5所示。

圖5 輪邊行星輪系受力分析

作用在行星輪軸上的力為Fc，輪邊速比i輪=3.478，太陽(yáng)輪節(jié)圓半徑rs=46mm，計(jì)算出太陽(yáng)輪上的轉(zhuǎn)矩Ts=T/2i輪=6325.5 N·m，行星齒輪個(gè)數(shù)n，太陽(yáng)輪作用在其與行星齒輪嚙合點(diǎn)的力Fs=1000Ts/nrs=27 502N，齒圈作用在其與行星齒輪嚙合點(diǎn)的力FR=Fs，行星架作用在行星齒輪中心的力Fc=FR+Fs=55 004N。

2.行星輪軸及滾針軸承有限元建模及改前結(jié)構(gòu)分析

某商用車輪邊減速器滾針軸承與輪邊減速器是內(nèi)嚙合型，在 Creo中建立輪邊減速器滾針軸承模型。將三維模型導(dǎo)入Abaqus后，設(shè)置各零件的材料屬性（見(jiàn)表2）及裝配關(guān)系，約束行星輪軸兩端，在行星輪軸中間施加力。得到行星輪系有限元模型及網(wǎng)格圖，如圖6所示。

圖6 行星輪系有限元模型及網(wǎng)格圖

表2 行星輪系材料屬性

按以上要求進(jìn)行有限元分析，應(yīng)力分布如圖7所示，最大的接觸應(yīng)為2712MPa，當(dāng)滾針和行星輪軸軸頸表面硬度在58HRC以上時(shí)，許用接觸應(yīng)為3000～3200MPa，可得其安全實(shí)數(shù)為1.1。工程上一般認(rèn)為安全系數(shù)達(dá)到1.5左右比較可靠，此安全系數(shù)遠(yuǎn)達(dá)不到要求，是導(dǎo)致行星輪軸磨損和滾針軸承磨損碎裂的主要原因，需進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，增加強(qiáng)度。

圖7 滾針軸承和行星輪軸接觸應(yīng)力分布

3.行星輪軸及滾針軸承優(yōu)化設(shè)計(jì)

初步原因分析及有限元分析結(jié)果為接觸應(yīng)力大強(qiáng)度不足。為降低兩者之間的接觸應(yīng)力，需增大兩者的接觸面積，改進(jìn)方向有兩個(gè)方面：

1）由帶保持架的滾針軸承優(yōu)化為圓周滿布的滾針軸承。

2）行星輪軸加大軸徑。

為保證零部件的通用性，行星輪保持不變，可通過(guò)減小滾針軸承的直徑來(lái)滿足以上兩個(gè)方面。

按改進(jìn)的方向重新設(shè)計(jì)行星輪系并進(jìn)行有限元分析，分析方法與改前一致。模型及分析結(jié)果如圖8和圖9所示。其中最大接觸應(yīng)力為2004MPa，安全系數(shù)為1.49，滿足1.5左右的要求。

圖8 優(yōu)化模型

圖9 優(yōu)化后行星輪系有限元分析

增加滾針數(shù)量和增大行星輪軸徑后進(jìn)行有限元分析，有效降低了接觸應(yīng)力，安全系數(shù)提升35%。

為驗(yàn)證有限元分析結(jié)果的可靠性，進(jìn)行理論計(jì)算。滾針軸承的接觸應(yīng)力計(jì)算公式：

式中d——滾針直徑，單位為mm；

L——滾針工作長(zhǎng)度，單位為mm；

d1——行星輪軸直徑，單位為mm；

Fn——Fc作用下一個(gè)滾針?biāo)艿淖畲筝d荷，單位為N，F(xiàn)n=4.6Fc/iz，i為滾針列數(shù)，z為每列中的滾針數(shù)。

對(duì)比有限元分析及理論計(jì)算結(jié)果（見(jiàn)表3），優(yōu)化后最大接觸應(yīng)力相差3.9%。對(duì)于應(yīng)力結(jié)果，如果數(shù)值仿真結(jié)果和理論結(jié)果的差異小于5%，就很理想了[4]，可以認(rèn)為有限元結(jié)果可信。改前和優(yōu)化后滾針軸承和行星輪軸實(shí)物如圖10所示。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)商用車某驅(qū)動(dòng)橋輪邊減速器故障統(tǒng)計(jì)分析，行星輪軸和滾針軸承磨損為其主要失效模式，采用FAT分析法，查找行星輪軸和滾針軸承失效因素。采取增加滾針軸承數(shù)目和增大行星輪軸軸徑的優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用理論計(jì)算和Abaqus仿真分析的方法，優(yōu)化設(shè)計(jì)有效降低接觸應(yīng)力，提升35%的安全系數(shù)。為驗(yàn)證優(yōu)化方案的實(shí)效性，監(jiān)控售后市場(chǎng)8個(gè)月，故障同比下降了70%左右，證明改進(jìn)有效。