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

隨著汽車在我國的普及，人民的生活水平得到了極大的提高[1]，隨之而來的是大家對(duì)汽車質(zhì)量的更高要求。萬向節(jié)作為汽車底盤關(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，它直接決定了萬向節(jié)的性能。在生活中，汽車行駛一段時(shí)間后，汽車底盤會(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萬向節(jié)十字軸內(nèi)部的軸承過度磨損、出現(xiàn)間隙導(dǎo)致，所以急需一種新型具有自潤滑的十字軸承來解決或者延長十字軸的使用壽命。

十字軸現(xiàn)狀及問題

十字軸萬向節(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。通過對(duì)目前市場的調(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滑不良造成的，由于十字軸的損壞導(dǎo)致了汽車在行駛中的異響和振動(dòng)。為解決上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種具有自潤滑功能的新型十字軸承。

圖1 十字軸萬向節(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，十字軸承的外圈開了儲(chǔ)油環(huán)槽和滑油滾輪槽（見圖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)部儲(chǔ)油塊的潤滑劑，以此達(dá)到自潤滑的功能。

新型十字軸承力學(xué)分析

1.車型參數(shù)

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

表1 車型參數(shù)[4]

十字軸的尺寸由傳動(dòng)軸的計(jì)算載荷來確定，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程中的不合理，導(dǎo)致萬向節(jié)十字軸的圓周間隙較大，使得十字軸的軸頸與軸線之間出現(xiàn)角度偏差，導(dǎo)致壓印。隨著壓印的加深，滾針無法自轉(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)致萬向節(jié)十字軸承的失效。從以上原因可以看出，萬向節(jié)十字軸總成失效主要是由于潤滑不足和滾針脆斷造成的，所以在設(shè)計(jì)過程中需要對(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)行簡化，讓其可以畫出更高質(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。本模型主要簡化的是各零件的倒角和一些不受力的密封件。

簡化后的十字軸模型如圖6所示。通過查閱《汽車設(shè)計(jì)手冊(cè)》等相關(guān)資料，得到十字軸式萬向聯(lián)軸器的各個(gè)零件的材料參數(shù)（見表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3D的網(wǎng)格分為六面體、五面體和四面體三類，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 新型十字軸簡化模型及網(wǎng)格劃分

載荷分析

由于十字軸萬向節(jié)主要承受來自傳動(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，通過相關(guān)計(jì)算可以獲得滾針的合力F。

式中：Ts為萬向傳動(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，且在加工制造過程中還要經(jīng)過滲碳（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（見圖7紅色部分）施加載荷，其載荷類型為Bearing load=5063N；在十字軸軸頸底面（見圖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

汽車萬向節(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)一系列問題，甚至造成安全隱患。本文針對(duì)汽車萬向節(jié)十字軸承提出了一種具有自潤滑功能的全新結(jié)構(gòu)，并通過相關(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《汽車傳動(dòng)軸總成技術(shù)條件要求》中的標(biāo)準(zhǔn)。