淦吉昌，王駿宇，王金明

(格特拉克(江西)傳動系統(tǒng)有限公司產品開發(fā)中心，江西 南昌 330012)

0 引 言

變速器作為汽車動力傳動系統(tǒng)的關鍵部件，對整車的安全性、動力性、經濟系及舒適性等起著決定性作用。滾針軸承是變速器的重要承載件，具有橫截面小、承載能力強、節(jié)約徑向安裝空間等優(yōu)點，它的性能和疲勞壽命直接影響變速器的性能和使用壽命[1]。滾針軸承實際應用中經常遇到的強度、剛度、疲勞壽命等問題都與軸承的應力分布狀態(tài)密切相關。

目前，進行滾針軸承應力分析的方法是將計算得到的應力結果與材料的屈服強度進行比較，據此評定軸承的強度是否滿足要求[2]。其實，材料的硬度與強度之間存在一定聯系[3]，滾針軸承的心部硬度對結構強度影響很大，考慮心部硬度進行滾針軸承應力評定更加符合實際情況。

筆者以某后輪驅動變速器中間軸滾針軸承為例，基于有限元分析軟件ABAQUS建立變速箱滾針軸承的三維整體有限元模型，對整車實際工況下滾針軸承接觸過程進行數值模擬。對滾針軸承應力結果進行分析，并考慮心部硬度進行強度評定。

1 問題案例

某后輪驅動車輛在行駛過程中，變速箱內出現異響。對變速器進行拆解，發(fā)現中間軸滾針軸承外圈與滾子接觸表面出現壓痕，如圖1所示。軸承外圈出現壓痕后，局部變形導致滾子在外圈內表面滾動時出現異常波動，發(fā)出周期性的異響。根據失效零件特征，采用有限元方法分析該滾針軸承在整車實際工況下的應力分布狀態(tài)，進而分析失效的原因并提出有效的解決方案。

圖1 滾針軸承外圈壓痕

2 有限元模型建立及分析

2.1 模型簡化

該變速器滾針軸承由軸承外圈、滾針和軸承內圈組成，裝配在中間軸上。根據計算準確性要求，取變速箱殼體、中間軸、軸承和卡環(huán)等進入計算模型。為節(jié)約工作量，除分析的滾針軸承保留詳細實體外，其余軸承只保留軸承外圈。

2.2 網格劃分

采用二階四面體單元C3D10對殼體進行離散，采用一階六面體非協(xié)調單元C3D8I對滾針軸承、中間軸和各個軸承外圈進行離散，軸承外圈節(jié)點數需與硬度測點數保持一致。接觸面間網格節(jié)點對應能有效提高精度和計算效率，在軸承外圈與軸承座之間、滾針軸承的滾針與軸承內圈之間、滾針與軸承外圈之間都采用網格對應方法劃分網格，如圖2所示。

2.3 接觸模型

假定在初始狀態(tài)下，軸承外圈與軸承座、滾針與軸承外圈、滾針與軸承內圈之間都為密切的協(xié)調接觸，接觸面間沒有間隙或嵌入。施加載荷后，各個接觸面產生相對滑動和嵌入，選用面-面接觸和小滑移來分別建立接觸對[4]。由于螺栓孔區(qū)域不是關注的重點，螺栓與殼體之間忽略螺紋連接細節(jié)設置為綁定接觸。

2.4 材料參數

變速器各部件材料參數如表1所列[5]。文中考慮材料心部硬度，對所分析滾針軸承外圈硬度進行實測，測點間距為0.1mm，實測硬度值(HV)如表2所列。

表1 主要材料力學參數

表2 軸承外圈硬度值(HV)

2.5 邊界條件與載荷

根據變速器安裝狀態(tài)，前殼體與發(fā)動機法蘭面螺栓連接采用RBE2單元模擬，并定義6個自由度全約束；后殼體懸置螺栓連接處定義6個自由度全約束；前殼體和后殼體之間連接螺栓根據擰緊力矩施加螺栓預緊力；軸承外圈與軸承座之間定義最大過盈量。

軸承所受載荷為齒輪和軸系對其產生的支反力，在一檔驅動工況下滾針軸承所受支反力最大，所以在軸上施加一檔驅動工況下的載荷。

3 結果分析與強度評定

3.1 結果分析

滾針軸承外圈應力分布如圖3所示。從應力云圖可以看出，在一檔驅動工況下，滾針軸承的最大應力為壓應力，發(fā)生在滾針與外圈接觸部位，最大壓應力值為526 MPa，該處高應力是由于滾針與外圈的擠壓而引起。

圖3 滾針軸承外圈應力云圖

在軸承外圈內表面產生四個應力集中區(qū)域，對比失效軸承外圈壓痕發(fā)生的位置和應力集中的位置可知，兩者所發(fā)生的位置一致。如果按照常規(guī)的方法，將應力結果與材料的屈服強度進行比較，那么SPCC材料軸承外圈已經完全失效，這顯然與實際不符。本文提出基于材料心部硬度與強度對應關系的評定方法，既將應力集中部位的應力值與硬度對應的強度極限值進行比較，從而判定結構強度是否滿足設計要求。

3.2 強度評定

對應力集中位置Point_1～Point_5，取各位置最大應力節(jié)點處危險截面，采用路徑處理法，將危險截面的各應力沿一條應力處理線AB進行處理，危險截面強度評定路徑如圖4所示。

圖4 危險截面強度評定路徑

根據材料強度與硬度的換算關系得到各點的許用極限[6]，對應力集中位置危險截面沿路徑進行強度評定，結果如表3所列。由評定結果可知，各危險截面的心部應力值均大于其相應的許用極限，造成軸承外圈在滾針壓力作用下發(fā)生變形產生壓痕，所以該滾針軸承外圈材料性能不能滿足強度設計要求。

表3 滾針軸承外圈各危險截面的應力強度評定結果

4 問題解決

針對滾針軸承外圈材料心部硬度不足而導致的強度問題，提出變更外圈材料。綜合考慮成本、材料性能、心部硬度等因素，建議采用15GrMo替換現有材料。

對15GrMo材料為外圈的滾針軸承進行有限元分析，對相同路徑和相同節(jié)點的應力進行評價，并將SPCC材料與15GrMo材料應力結果進行比較，如圖5所示。

圖5 SPCC材料軸承外圈與15GrMo材料軸承外圈應力結果比較

從結果可以看出，15GrMo材料的滾針軸承外圈沿路徑各應力值均小于相應許用極限強度，既沿路徑各點最小安全系數均大于1，強度滿足設計要求。將變更材料后的樣件裝配到整車上按實驗規(guī)范進行測試，在實驗規(guī)范要求的路試里程內未出現類似的異響，試驗完成后拆解變速器，觀察滾針軸承外圈未見壓痕，有限元仿真和實驗結果證明，變更外圈材料后的軸承強度滿足要求，采用15GrMo作為滾針軸承外圈材料的方案可行。

5 結 論

(1) 在整車實際工況下對滾針軸承進行了詳細應力分析，考慮心部硬度與強度的對應關系，對各危險截面進行強度評定，SPCC材料外圈心部應力小于相應的許用極限，說明滾針軸承失效的原因是軸承外圈材料心部硬度不足。

(2) 替代材料的滾針軸承外圈沿厚度方向各應力值均小于極限強度，強度滿足設計要求，并通過整車試驗驗證了方案的正確性。這種考慮心部硬度與強度對應關系的軸承外圈有限元應力評定方法與實際相符，避免了傳統(tǒng)評價方法的片面性，分析過程和計算結果可為工程實際提供一定的參考和依據。