張敬東，起雪梅，黎輝

（攀枝花學(xué)院 交通與汽車(chē)工程學(xué)院，四川 攀枝花 617000）

變速器能改變發(fā)動(dòng)機(jī)傳到驅(qū)動(dòng)輪上的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，在原地起步、爬坡、轉(zhuǎn)彎、加速等各種行駛工況下，其使汽車(chē)獲得不同的牽引力和速度，同時(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)在最有利的工況范圍內(nèi)工作，汽車(chē)變速器性性能直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)能否在其最佳的動(dòng)力性能狀態(tài)下工作［1］。軸承作為汽車(chē)變速器關(guān)鍵零件，其精度、振動(dòng)和接觸特性等指標(biāo)對(duì)變速器的性能狀態(tài)起著決定性的作用。

文獻(xiàn)［2］對(duì)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋主減速器圓錐滾子軸承的滾子進(jìn)行了接觸應(yīng)力分析，得出了在外部載荷和慣性力下的接觸應(yīng)力分布。汽車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中，滾子與內(nèi)外圈之間的接觸特性比較復(fù)雜，故存在計(jì)算過(guò)程復(fù)雜和計(jì)算不準(zhǔn)確的問(wèn)題［3-4］。以往對(duì)圓錐滾子軸承中載荷分布的研究，局限于對(duì)僅承受徑向載荷、軸向載荷的情況，而未研究汽車(chē)在實(shí)際不同載荷工況下每個(gè)滾動(dòng)體與滾道之間接觸應(yīng)力分布，而滾子與滾道的接觸應(yīng)力分布對(duì)圓錐滾子軸承的疲勞壽命有顯著影響［5-6］。

下文在Romax軟件中對(duì)不同載荷工況下的變速器輸出軸軸承的接觸特性進(jìn)行分析，對(duì)滾動(dòng)體在滾道中運(yùn)行時(shí)的接觸應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，得出在不同工況下內(nèi)外圈的接觸應(yīng)力分布，為減速器輸出軸軸承壽命的預(yù)測(cè)提供依據(jù)。

1 建立模型

在Romax軟件中對(duì)某汽車(chē)手動(dòng)變速器進(jìn)行三維建模，利用該軟件中的平行軸建模平臺(tái)確定了變速器中的輸入軸、中間軸和輸出軸。文中僅研究前進(jìn)擋對(duì)輸出軸軸承滾道的接觸應(yīng)力影響，因此在模型中只對(duì)前進(jìn)擋嚙合副進(jìn)行了建模，最后在Romax中對(duì)模型進(jìn)行定位裝配，得到不包含箱體的變速器三維簡(jiǎn)化模型如圖1所示，輸出軸軸承型號(hào)為SKF30207，其具體參數(shù)見(jiàn)表1［7］。

圖1 某變速器三維簡(jiǎn)化模型

表1 圓錐滾子軸承參數(shù)

2 圓錐滾子軸承受力分析

圓錐滾子受到內(nèi)、外圈和擋邊接觸力的作用如圖2所示，三者滿(mǎn)足如下關(guān)系［5］

圖2 圓錐滾子軸承滾子受力圖

式中：Qi為內(nèi)滾道接觸力；Qe為外滾道接觸力；Qf為擋邊接觸力；αi為內(nèi)滾道接觸角；αe為外滾道接觸角；αf為擋邊接觸角。

軸承的接觸區(qū)域?yàn)闄E圓，文獻(xiàn)［8］給出了Hertz線接觸理論的應(yīng)力分布（圖3）和相關(guān)公式，其中橫坐標(biāo)x為軸承軸向，縱坐標(biāo)為應(yīng)力分布，則

圖3 Hertz線接觸理論的應(yīng)力分布圖

式中：a為接觸橢圓區(qū)域的長(zhǎng)半軸；Q為承受載荷；l為接觸長(zhǎng)度；E′為綜合彈性模量；∑ρ為曲率和函數(shù)；p0為接觸應(yīng)力。

3 接觸應(yīng)力分析

文獻(xiàn)［7-9］用Romax軟件對(duì)輸出軸軸承在不同載荷工況下內(nèi)外圈接觸應(yīng)力進(jìn)行分析，變速器的載荷工況見(jiàn)表2。該圓錐滾子軸承及套圈材料為軸承鋼，并且滾子與套圈有凸度，材料彈性模量和泊松比分別為E＝207 GPa，ν＝0.3。

表2 變速器載荷工況

在不同載荷工況下，得出內(nèi)、外圈與16個(gè)滾子沿滾子長(zhǎng)度方向的接觸應(yīng)力分布大致相同，接觸應(yīng)力在滾子中心附近最大，遠(yuǎn)離滾子中心接觸應(yīng)力值逐漸減小，在滾子兩端接觸應(yīng)力為0，整個(gè)應(yīng)力分布接近拋物線狀，基本符合Hertz接觸理論的應(yīng)力分布規(guī)律。其中3擋載荷工況下滾子與套圈的接觸應(yīng)力如圖4所示，最大接觸應(yīng)力見(jiàn)表3。

圖4 3擋載荷工況下滾子與套圈接觸應(yīng)力

表3 不同載荷工況下滾子與內(nèi)外圈最大接觸應(yīng)力 MPa

沿滾子長(zhǎng)度方向，內(nèi)外圈滾道上接觸應(yīng)力分布不均勻且差別較大，皆出現(xiàn)接觸應(yīng)力為0的區(qū)域，使部分滾子工作狀況惡化，接觸區(qū)域存在嚴(yán)重的偏載現(xiàn)象，而使內(nèi)外圈產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中。

在其他條件相同的情況下，對(duì)不同工況下的接觸應(yīng)力進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?，擋位越小，軸承的內(nèi)外圈接觸應(yīng)力越大。

圖5 不同工況下最大接觸應(yīng)力對(duì)比

4 結(jié)論

（1）模擬結(jié)果表明了軸承在不同工況下的滾道接觸應(yīng)力分布，符合Hertz接觸理論；接觸應(yīng)力在滾子中心附近最大，遠(yuǎn)離滾子中心逐漸減小且在滾子兩端的接觸應(yīng)力為0。

（2）其他條件相同，擋位越小，滾道接觸區(qū)域最大接觸應(yīng)力越大。