秦健健，喬繼禹，鐘芳平，石明全，2

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

0 引言

等速傳動萬向節(jié)軸承是位于汽車渦輪發(fā)動機和兩個車輪之間的一種動力連接傳動裝置，是現(xiàn)代汽車傳動系統(tǒng)的重要組成部分，主要由等速萬向節(jié)與傳動軸組成[1-5]。等速萬向節(jié)一般包括固定端萬向節(jié)和移動端萬向節(jié)，其作用為在可變角度工況下將轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速從輸入端等速傳遞到輸出端，其中移動端為三樞軸式等速萬向節(jié)[6-8]。

等速萬向節(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)代汽車萬向節(jié)整體的運動操縱性與綜合動力性，必須深入研究并不斷提高汽車萬向節(jié)的傳動性能和使用壽命。因此，進行動力學仿真，了解和掌握萬向節(jié)傳動過程中各零件的應(yīng)力分布和大小，分析其結(jié)構(gòu)易疲勞部位，繼而指導設(shè)計過程，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，就顯得尤為重要[9]。

早期的工程師通過理論計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對三樞軸式等速萬向節(jié)進行分析與計算，以指導萬向節(jié)的設(shè)計。吳昌林等[12]在分析三球銷式等速萬向節(jié)工作原理及各種接觸碰撞模型的基礎(chǔ)上，建立了萬向節(jié)含間隙結(jié)構(gòu)的動力學模型，并通過算例進行了驗證。陳佳華[13]提出了預測萬向節(jié)軸承疲勞壽命的計算方法，分析了部分影響萬向節(jié)軸承疲勞壽命的因素及這些因素如何對疲勞壽命產(chǎn)生影響。

本文采用通用接觸算法，先對等速萬向節(jié)進行了靜力學分析，然后對等速萬向節(jié)進行了動力學分析，將得到的靜力學ODB文件和動力學載荷譜文件相結(jié)合，對等速萬向節(jié)進行了疲勞分析。

1 基本理論

1）剛體動力學方程為

3）三樞軸式等速萬向節(jié)理論分析。

三樞軸式等速萬向節(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 三樞軸式等速萬向節(jié)結(jié)構(gòu)和受力

公式確認零度夾角時，γ=0°，α=90°，代入式（1）得到單個軸承載荷為

2 建模方法

圖2所示為等速萬向節(jié)疲勞分析的基本流程，圖3所示為幾何簡化模型。首先，使用ABAQUS對等速萬向節(jié)進行靜力學分析，施加給定載荷和約束，得到靜力學分析結(jié)果ODB文件；然后，根據(jù)工況使用ADAMS建立動力學分析模型，得到疲勞分析的載荷譜文件；最后，以計算得到的ODB文件和載荷譜文件為輸入條件，計算等速萬向節(jié)的疲勞。材料設(shè)置如表1所示。計算模型如圖4所示。

圖2 疲勞分析的基本流程

圖3 幾何簡化模型

圖4 計算模型

表1 材料參數(shù)

3 疲勞分析與實驗結(jié)果對比

3.1 疲勞分析預測

采用FE-SAFE軟件進行疲勞分析，將載荷譜文件、靜力學分析結(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)表面會出現(xiàn)少許凹坑；當對數(shù)壽命約為6.353（即旋轉(zhuǎn)次數(shù)為2 254 239次）時，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））的表面材料平均對數(shù)壽命約為6.181（即旋轉(zhuǎn)次數(shù)約為1 517 050次）時，軸轂表面會出現(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)圈危險截面平均對數(shù)壽命為6.323（即旋轉(zhuǎn)次數(shù)約為2 103 778次）時，軸承內(nèi)圈可能會發(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，軸承外圈危險截面平均對數(shù)壽命約為6.551（即旋轉(zhuǎn)次數(shù)約為3 556 313次）時，軸承外圈可能會發(fā)生破壞；滾針（如圖7（e））危險截面平均對數(shù)壽命約為6.423（即旋轉(zhuǎn)次數(shù)約為2 648 500次）時，滾針可能會發(fā)生破壞。

圖7 疲勞云圖

3.2 疲勞實驗

實驗選取正常溫濕度狀態(tài)下，使用等速驅(qū)動軸扭轉(zhuǎn)疲勞試驗臺，樣件數(shù)量為3，根據(jù)國家汽車行業(yè)標準，設(shè)定扭轉(zhuǎn)次數(shù)為2×105次，實驗后觀察裂紋或斷裂情況。

如圖8（a）所示，轉(zhuǎn)向器連接到萬向節(jié)總成，施加正反方向轉(zhuǎn)矩的計算公式為

式中：M為試驗轉(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計算；iω為轉(zhuǎn)向器的角傳動比；ηp為平均正傳動效率值，取0.70。實驗結(jié)果如圖8（b）、表2所示。

圖8 實驗臺測試

表2 三樞軸式等速萬向節(jié)扭轉(zhuǎn)疲勞強度實驗結(jié)果

3.3 對比分析

三樞軸式等速萬向節(jié)使用國標測試方法，所測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，達到實驗次數(shù)時，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結(jié)果大體相同，證實了該仿真分析思路的可行性。

4 結(jié)論

針對等速萬向節(jié)設(shè)計周期長、實驗成本高、性能影響范圍廣的特點，將多領(lǐng)域的有限元仿真方法引入等速萬向節(jié)的設(shè)計階段中，只需設(shè)計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測。對現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的三樞軸式等速萬向節(jié)進行系統(tǒng)性的仿真分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，可以提早發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計中的薄弱位置，然后通過改進設(shè)計來改善零件間接觸關(guān)系，可以提高萬向節(jié)的可靠性。使用本文方法，將較為成熟的靜力學與動力學有限元仿真相結(jié)合，可以得到比較準確的零件壽命預測。同時在對薄弱環(huán)節(jié)的分析方面，疲勞分析相比單純的靜力學分析擁有更加準確的時間屬性，可更加詳細地指導設(shè)計。