汽車(chē)自潤(rùn)滑新型十字軸承設(shè)計(jì)及有限元分析

張啟偉，陶燕琳，李兵

1.成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川成都 610100

2.四川師范大學(xué) 四川成都 610100

隨著汽車(chē)在我國(guó)的普及，人民的生活水平得到了極大的提高[1]，隨之而來(lái)的是大家對(duì)汽車(chē)質(zhì)量的更高要求。萬(wàn)向節(jié)作為汽車(chē)底盤(pán)關(guān)鍵的零件之一，它決定著機(jī)械設(shè)備的功能、疲勞強(qiáng)度和使用壽命等[2]。在萬(wàn)向節(jié)中，十字軸是最核心的部件，也是主要受力部件，它直接決定了萬(wàn)向節(jié)的性能。在生活中，汽車(chē)行駛一段時(shí)間后，汽車(chē)底盤(pán)會(huì)發(fā)生異響噪聲，速度越快，噪聲越大。出現(xiàn)這種情況的原因之一是由于汽車(chē)萬(wàn)向節(jié)十字軸內(nèi)部的軸承過(guò)度磨損、出現(xiàn)間隙導(dǎo)致，所以急需一種新型具有自潤(rùn)滑的十字軸承來(lái)解決或者延長(zhǎng)十字軸的使用壽命。

十字軸現(xiàn)狀及問(wèn)題

十字軸萬(wàn)向節(jié)由主動(dòng)叉、十字軸、滾針軸承、油封、套筒、軸承蓋以及被動(dòng)叉組成，如圖1所示。其工作原理為：主動(dòng)軸將轉(zhuǎn)矩傳遞給主動(dòng)叉，主動(dòng)叉又傳遞給十字軸，十字軸最后把轉(zhuǎn)矩傳遞給被動(dòng)叉[3]。作為萬(wàn)向節(jié)的核心部件，十字軸的結(jié)構(gòu)性能就顯得十分重要了。通過(guò)對(duì)目前市場(chǎng)的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)大部分十字軸的損壞都是由于滾針軸承磨損和潤(rùn)滑不良造成的，由于十字軸的損壞導(dǎo)致了汽車(chē)在行駛中的異響和振動(dòng)。為解決上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種具有自潤(rùn)滑功能的新型十字軸承。

圖1 十字軸萬(wàn)向節(jié)爆炸圖

新型十字軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

此新型十字軸相對(duì)于傳統(tǒng)的十字軸，增加了自潤(rùn)滑的功能。其三維模型如圖2和圖3所示。

圖2 新型十字軸

圖3 新型十字軸軸承

相對(duì)于傳統(tǒng)的十字軸，本結(jié)構(gòu)主要對(duì)十字軸承做出了改進(jìn)。新型十字軸承的主要構(gòu)成如圖3所示，由軸承蓋、外圈、滑油滾輪、滾針和保持架組成。十字軸承的半剖視圖如圖4所示，滾針由保持架固定，十字軸承的外圈開(kāi)了儲(chǔ)油環(huán)槽和滑油滾輪槽（見(jiàn)圖5），滑油滾輪槽內(nèi)部安裝有滑油滾輪，其外部覆蓋一層吸油材料，并且滑油滾輪還能與內(nèi)圈上面的滾針發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，儲(chǔ)油環(huán)槽內(nèi)部存放有環(huán)形儲(chǔ)油塊，最后外圈與軸承蓋緊密連接，并且外圈和軸承蓋之間還設(shè)置有密封圈，來(lái)防止?jié)櫥偷男孤?/p>

圖4 十字軸承半剖視圖

圖5 十字軸承外圈視圖

其工作原理為：十字軸軸頸與內(nèi)圈的滾針緊密接觸，滾針可以隨著十字軸頸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，由于滾針與滑油滾輪能產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所以能帶動(dòng)滑油滾輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的滑油滾輪將吸附儲(chǔ)油滑槽內(nèi)部?jī)?chǔ)油塊的潤(rùn)滑劑，以此達(dá)到自潤(rùn)滑的功能。

新型十字軸承力學(xué)分析

1.車(chē)型參數(shù)

本次研究的新型十字軸承是基于某乘用車(chē)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，其主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 車(chē)型參數(shù)[4]

十字軸的尺寸由傳動(dòng)軸的計(jì)算載荷來(lái)確定，而傳動(dòng)軸的計(jì)算載荷由發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩和1擋傳動(dòng)比來(lái)確定[5]：

式中：kd為猛接離合器所產(chǎn)生的動(dòng)載系數(shù)，取kd＝1；Temax為發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩，Temax＝350N·m；η為發(fā)動(dòng)機(jī)到萬(wàn)向傳動(dòng)軸之間的傳動(dòng)效率，8擋以上的變速器傳動(dòng)效率為 0.9；i1為變速器1擋傳動(dòng)比，取4.70。

通過(guò)計(jì)算得到Ts＝1480.5N·m。由計(jì)算載荷能夠確定新型十字軸的軸承蓋直徑為20mm，查閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，利用三維軟件建立新型十字軸軸承和十字軸模型，如上圖2和圖3所示。

2.有限元模型的建立

萬(wàn)向節(jié)十字軸總成失效的原因主要有以下幾點(diǎn)：

（1）斜壓印 由于加工或者裝配過(guò)程中的不合理，導(dǎo)致萬(wàn)向節(jié)十字軸的圓周間隙較大，使得十字軸的軸頸與軸線(xiàn)之間出現(xiàn)角度偏差，導(dǎo)致壓印。隨著壓印的加深，滾針無(wú)法自轉(zhuǎn)，最后造成軸承失效。

（2）疲勞剝落 十字軸頸與軸承由于磨損導(dǎo)致徑向間隙加大，從而引起載荷集中，最終導(dǎo)致滾針大面積剝落的現(xiàn)象。

（3）缺油燒蝕 由于十字軸承潤(rùn)滑不充分，或者軸承密封不良造成軸承出現(xiàn)失油，導(dǎo)致滾針與軸頸出現(xiàn)干摩擦，并因溫度過(guò)高導(dǎo)致軸承與軸頸出現(xiàn)咬死現(xiàn)象，損壞滾針和密封件等。

（4）滾針失效 由于滾針表面存在麻點(diǎn)、麻坑，或者因?yàn)闈L針強(qiáng)度不夠而被折斷，導(dǎo)致萬(wàn)向節(jié)十字軸承的失效。從以上原因可以看出，萬(wàn)向節(jié)十字軸總成失效主要是由于潤(rùn)滑不足和滾針脆斷造成的，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要對(duì)十字軸軸頸端的滾針軸承進(jìn)行校核[6]。

本文利用 CAE軟件對(duì)滾針軸承進(jìn)行接觸分析。將建立好的十字軸三維模型導(dǎo)入CAE軟件中，并在不影響其力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)的前提下進(jìn)行簡(jiǎn)化，讓其可以畫(huà)出更高質(zhì)量的網(wǎng)格，這樣不僅可以提高計(jì)算速度，還可以提高計(jì)算精度，最后得到的結(jié)果更加接近真實(shí)情況。本模型主要簡(jiǎn)化的是各零件的倒角和一些不受力的密封件。

簡(jiǎn)化后的十字軸模型如圖6所示。通過(guò)查閱《汽車(chē)設(shè)計(jì)手冊(cè)》等相關(guān)資料，得到十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器的各個(gè)零件的材料參數(shù)（見(jiàn)表2）。然后將各零件的材料參數(shù)在CAE軟件中進(jìn)行設(shè)置，并賦予給各相對(duì)應(yīng)的零件。

表2 材料參數(shù)

有限元分析中，網(wǎng)格的劃分是非常重要的,因?yàn)槠渲苯記Q定了計(jì)算的速度和準(zhǔn)確性。常見(jiàn)3D的網(wǎng)格分為六面體、五面體和四面體三類(lèi)，在結(jié)構(gòu)仿真中常用的是四面體和六面體，而網(wǎng)格的求解精度和速度是六面體大于四面體。結(jié)合新型十字軸模型的幾何形狀以及計(jì)算速度和精度，本文采用六面網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格尺寸選擇0.5mm，網(wǎng)格單元71 334個(gè)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)282 659個(gè)。十字軸整體網(wǎng)格劃分情況如圖6所示。

圖6 新型十字軸簡(jiǎn)化模型及網(wǎng)格劃分

載荷分析

由于十字軸萬(wàn)向節(jié)主要承受來(lái)自傳動(dòng)軸的扭矩，而十字軸軸承與軸頸是緊密配合的，所以十字軸軸頸的受力實(shí)際來(lái)自于十字軸承內(nèi)部的各個(gè)滾針，并且為各個(gè)滾針的合力F，通過(guò)相關(guān)計(jì)算可以獲得滾針的合力F。

式中：Ts為萬(wàn)向傳動(dòng)軸的計(jì)算轉(zhuǎn)矩，Ts＝1480.5 N·m；r為合力F的作用點(diǎn)到十字軸中心位置的垂直距離，r＝15m m；α為主、從動(dòng)叉軸的最大夾角，α=20°。計(jì)算得出F＝5251N。

十字軸滾針軸承所承受的接觸應(yīng)力為

式中：δ j為滾針軸承的接觸應(yīng)力；d0為滾針直徑（mm）；Lb為滾針的工作長(zhǎng)度（mm）；單個(gè)滾針?biāo)惺艿淖畲筝d荷（N），其值可由式2確定。

式中：i為滾針列數(shù)，z為每列中的滾針數(shù)。

十字軸通常使用的材料為低碳合金鋼，且在加工制造過(guò)程中還要經(jīng)過(guò)滲碳（滲碳深度為 0.8～1.2mm）和淬火等熱處理，所以十字軸軸頸表面的硬度為58～64HRC，而滾針軸承是萬(wàn)向節(jié)十字軸主要的受力零件，直接和十字軸軸頸接觸，所以其表面硬度要大于十字軸軸頸的表面硬度。經(jīng)過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)滾針與十字軸軸頸表面硬度都高于58HRC 時(shí)，滾針表面接觸許用應(yīng)力[δj]＝3000～3200MPa[6]。本設(shè)計(jì)所選十字軸軸承中滾針列數(shù)i＝1；z＝23，利用公式3和公式4計(jì)算得出[δj]＝2673MPa，小于滾針的許用接觸應(yīng)力，滿(mǎn)足要求。

接觸模型與邊界條件

對(duì)軸承蓋與十字軸承外圈、十字軸承外圈與滾針表面、滾針表面與十字軸頸表面、滾針表面與保持架之間添加bonded接觸。在新型十字軸承蓋上（見(jiàn)圖7紅色部分）施加載荷，其載荷類(lèi)型為Bearing load=5063N；在十字軸軸頸底面（見(jiàn)圖7黃色色部分）添加遠(yuǎn)端位移約束Remote Displacement，并且將3個(gè)移動(dòng)和3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)分別設(shè)置為0，以此來(lái)限制十字軸軸頸六個(gè)方向的自由度。遠(yuǎn)端位移約束Remote Displacement相對(duì)于固定約束Fixed support，可以防止十字軸產(chǎn)生過(guò)約束，從而導(dǎo)致計(jì)算出錯(cuò)。

圖7 約束與載荷

結(jié)果分析

對(duì)新型十字軸軸承進(jìn)行有限元分析獲得應(yīng)力云圖，圖8為新型十字軸軸承整體的等效應(yīng)力云圖；圖9為滾針的等效應(yīng)力云圖；圖10為十字軸軸頸的等效應(yīng)力云圖；圖11為十字軸軸承外圈等效應(yīng)力云圖。

圖8 十字軸軸承整體應(yīng)力云圖

圖9 滾針應(yīng)力云圖

圖10 軸頸應(yīng)力云圖

圖11 十字軸承外圈應(yīng)力云圖

從圖8～圖11可以看出，滾針的接觸應(yīng)力最大為2590.6MPa，發(fā)生在滾針與十字軸頸接觸表面的底部位置，與實(shí)際情況相符；十字軸頸的最大應(yīng)力為356.91MPa，發(fā)生在十字軸頸的底面端部位置；而十字軸外圈的最大應(yīng)力為213.45MPa，發(fā)生在其上所開(kāi)滑油滾輪槽位置。從圖9中可以看出，滾針的接觸應(yīng)力分析結(jié)果與理論計(jì)算值σj=2673MPa接近，且兩者的誤差為3%，表明所采用的計(jì)算模型與計(jì)算方法可靠。計(jì)算得出的滾針的接觸應(yīng)力小于滾針的許用接觸應(yīng)力[σj]=3000～3200MPa；軸頸、十字軸承外圈和保持架的等效應(yīng)力也小于其材料的許用應(yīng)力。

根據(jù) QC/T 29082—1992《汽車(chē)傳動(dòng)軸總成技術(shù)條件要求》[7]中的標(biāo)準(zhǔn)，傳動(dòng)軸零件的安全系數(shù)應(yīng)高于1.5。從表3中可以看出，改進(jìn)后的十字軸軸承符合設(shè)計(jì)要求。

表3 新型十字軸各零件最大應(yīng)力和安全系數(shù)

結(jié)語(yǔ)

汽車(chē)萬(wàn)向節(jié)十字軸是傳動(dòng)軸總成內(nèi)的關(guān)鍵部件，其失效將會(huì)引發(fā)一系列問(wèn)題，甚至造成安全隱患。本文針對(duì)汽車(chē)萬(wàn)向節(jié)十字軸承提出了一種具有自潤(rùn)滑功能的全新結(jié)構(gòu)，并通過(guò)相關(guān)理論和有限元分析相結(jié)合的方式對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明：此設(shè)計(jì)符合QC/T 29082—1992《汽車(chē)傳動(dòng)軸總成技術(shù)條件要求》中的標(biāo)準(zhǔn)。