吳志猛

(上海漣屹軸承科技有限公司，上海 201100)

0 引言

某微型MPV汽車，雖然其乘坐舒適度比微型汽車大大提高，但是通過實(shí)車測(cè)試分析，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主減速器的振動(dòng)和噪聲問題仍然突出[1]。本文通過ADAMS仿真研究了支撐軸承在不同跨距下的工作壽命，通過在30305 TRB(圓錐滾子軸承)和30306 TRB之間設(shè)置合理的跨距以支持傳動(dòng)齒輪，改善了齒輪嚙合狀態(tài)，延長(zhǎng)了軸承的使用壽命，進(jìn)而減少齒輪嚙合的振動(dòng)和噪聲，提高了車輛NVH性能。

1 軸承工作壽命計(jì)算

主減速器的主動(dòng)齒輪由30305軸承和30306軸承支撐，結(jié)構(gòu)如圖1所示。齒輪之間的嚙合產(chǎn)生徑向力FR和軸向力FA。本文根據(jù)力的方向研究30306軸承的工作壽命，通過設(shè)置兩軸承間的合理跨距來支持主動(dòng)齒輪，齒輪嚙合力的狀態(tài)得到改善，進(jìn)而可以達(dá)到改善30306軸承工作壽命的目的。

圖1 主動(dòng)齒輪和軸承剖面圖

軸承壽命的計(jì)算公式[2]為：

(1)

軸承工作溫度在100℃以下，實(shí)驗(yàn)沖擊輕微。根據(jù)表1和表2，fT= 1，fp= 1。根據(jù)圖紙可知，軸承的動(dòng)態(tài)額定載荷C= 63 kN，當(dāng)量動(dòng)態(tài)載荷P可以通過模擬獲得。

表1 溫度系數(shù)

表2 載荷系數(shù)

2 軸承載荷仿真分析

本文通過ADAMS仿真計(jì)算工作期間的等效動(dòng)力載荷，統(tǒng)計(jì)了軸向載荷和徑向載荷。主減速器由行星齒輪、軸承、差速器殼、主減速器殼體、法蘭蓋和主從動(dòng)齒輪組成。 根據(jù)圖紙的尺寸，所有零件都由UG建模并按照要求裝配。為了便于觀察并且不影響仿真的準(zhǔn)確性，主減速器殼體被簡(jiǎn)化為4個(gè)軸承座。主減速器模型如圖2所示。

1—主動(dòng)齒輪；2—305軸承；3—305軸承位；4—306軸承；5—306軸承位；6—差速器殼；7—從動(dòng)齒輪；8(9)—208軸承位；10(11)—208軸承。

通過調(diào)整305軸承和306軸承之間的跨距，來提高齒輪-軸承系統(tǒng)的剛度。采用定量方法對(duì)6組不同跨距的軸承進(jìn)行調(diào)整，跨距分別為54 mm、55 mm、56 mm、57 mm、58 mm、59 mm。其他組件的尺寸和安裝尺寸保持不變，然后將模型導(dǎo)入到ADAMS中。

2.1 仿真前處理

根據(jù)圖紙，主減速器的主要參數(shù)如表3所示。

表3 載荷系數(shù)

齒輪和軸承的不同部分之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此存在接觸力，計(jì)算齒輪接觸副和軸承元件接觸對(duì)的參數(shù)[3]，公式如下。

(1)

(2)

(3)

軸承接觸副的參數(shù)可以通過相同的方法獲得，它們顯示在表4中。

表4 軸承接觸副的參數(shù) 單位：N/mm

齒輪接觸副和軸承元件接觸副的參數(shù)設(shè)置如圖3所示[4-5]。

圖3 接觸副參數(shù)設(shè)置

對(duì)組件添加約束，主減速器與大地固定在一起；軸承與減速器殼為固定副；主從動(dòng)齒輪上為旋轉(zhuǎn)副。根據(jù)微型MPV車的速度范圍，將驅(qū)動(dòng)速度添加給主動(dòng)齒輪。驅(qū)動(dòng)速度分別為800 r/min，1 500 r/min，2 000 r/min，3 000 r/min，4 000 r/min和5 000 r/min。通過額定負(fù)載情況下的計(jì)算，從動(dòng)齒輪的負(fù)載轉(zhuǎn)矩設(shè)置為500 N·m，仿真模型如圖4所示。

圖4 主減速器仿真模型

2.2 仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析

在仿真過程中，0.2 s達(dá)到最大速度，之后穩(wěn)定不變，所以不考慮0～0.2 s的加速過程。仿真總時(shí)間為0.4 s，步長(zhǎng)為0.001 s。在軸承間距為55 mm和驅(qū)動(dòng)速度為800 r/min的情況下，軸向載荷時(shí)域圖如圖5所示。

圖5 軸承跨距55mm的軸向負(fù)荷時(shí)域圖

表5和表6顯示了不同的轉(zhuǎn)速和跨距下的載荷。

表5 不同速度和跨距下的徑向載荷

表6 不同速度和跨距下的軸向載荷

2.3 計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷

在計(jì)算軸承的工作壽命時(shí)，不能直接采用作用于軸承的實(shí)際載荷，必須轉(zhuǎn)換成等效動(dòng)載荷。在實(shí)際工作中，軸承在等效載荷下的工作壽命與在徑向載荷和軸向載荷共同作用下的壽命相等。

等效動(dòng)載荷P與實(shí)際工作負(fù)荷之間的關(guān)系為[6-7]：

P=xFR+yFA

(5)

式中：x—徑向動(dòng)載荷系數(shù)；y—軸向動(dòng)載荷系數(shù)。當(dāng)軸向動(dòng)載荷FA與徑向動(dòng)載荷FR的比值大于e的值時(shí)，由于FA的影響較大，在計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷時(shí)必須考慮FA。 30306軸承的壓力角為15°，根據(jù)圓錐滾子軸承，e的值是1.5 tanα=0.4。從表5和表6中可知，F(xiàn)R/FA≥e=0.4，所以x=0.4，y=0.4 cotα=1.5。 所以當(dāng)量動(dòng)載荷為：

P=0.4FR+1.5FA

(6)

經(jīng)計(jì)算，不同轉(zhuǎn)速和跨距下的當(dāng)量動(dòng)載荷如表7所示。

表7 不同速度和跨距下的當(dāng)量動(dòng)載荷

3 軸承工作壽命

通過式(1)可以獲得軸承的工作壽命，不同轉(zhuǎn)速和軸承跨距下的軸承工作壽命如表8所示。

表8 不同轉(zhuǎn)速和跨距下的軸承工作壽命

從表8分析可知，當(dāng)軸承間距為55 mm時(shí)，30306軸承的工作壽命較長(zhǎng)。在該范圍內(nèi)，30305軸承和30306軸承可以更好地支撐主動(dòng)齒輪，并且主減速器性能得到提高，噪聲和振動(dòng)減少。

4 結(jié)語

本文的研究表明：通過調(diào)節(jié)30305軸承和30306軸承在主動(dòng)齒輪上的跨距，可以提高主動(dòng)齒輪-軸承系統(tǒng)的剛度，進(jìn)而延長(zhǎng)30306軸承的工作壽命。根據(jù)仿真結(jié)果，當(dāng)30305軸承和30306軸承之間的跨距為55 mm時(shí)，系統(tǒng)剛度較好，同時(shí)30306軸承具有更長(zhǎng)的工作壽命。并且主減速器性能得到提高，微型MPV汽車的舒適性得到改善。