變速箱軸承座強度與疲勞分析及結構改進

馮翠云

（桂林電子科技大學 信息科技學院，廣西 桂林541004）

0 引 言

隨著我國經濟的快速發展和農業機械化的普及，有耕翻和碎土功能的旋耕機得到了廣泛推廣。變速箱是旋耕機的關鍵部件，而連接旋耕刀半軸中的軸承座受到旋耕機自重、旋耕工作時的沖擊力和發動機振動沖擊等力作用，易使軸承座發生斷裂，且很難采用傳統的手動計算方法獲得斷裂原因。基于軸承座長時間處于變載荷或沖擊載荷的作用，對其動態性能和振動問題進行分析十分重要[1]。變速箱體承受動態應力和預緊載荷的靜態應力[2],本文利用ABAQUS有限元軟件對軸承座進行靜力學分析和疲勞分析，找出其薄弱和破裂部位對其進行結構改進，使其滿足產品設計要求。

1 零件原結構及載荷分析

圖1所示的旋耕機變速箱模型，左右半軸輸出動力，并承受所有靜載荷和沖擊動載荷。在產品試驗時，變速箱體上支撐左右半軸的軸承座發生了斷裂，斷裂部位發生在軸承座的根部，如圖1所示，實物斷裂如圖2所示。半軸上主要受到3個方向的力：1）垂直向上的力，包含自重和機器工作時產生的垂直沖擊力；2）轉向時橫向拉力；3）旋耕機工作時產生的向后拉力。3個分力最終由半軸軸承座支撐，由于采用傳統的手動計算方法計算軸承座的受力比較繁瑣，可以借助ABAQUS軟件進行靜力學計算。

2 軸承座應力與疲勞分析

2.1 軸承座應力分析

圖1 變速箱模型

圖2 軸承座破壞實物圖

軸承座左右對稱，為了節約計算時間、提高計算效率，對與計算無關的零件進行刪除和簡化，只保留右側的箱體、軸承、螺栓、軸承座和半軸，簡化后的模型如圖3所示。箱體、軸承座、軸、軸承和螺栓均采用精度較高的C3D10（10節點二次四面體單元）網格[3]，忽略局部與計算結果無關的倒角，對局部關注的地方進行適當的網格加密，得到總共78 000個四面體單元。螺栓預緊力為5000 N，箱體固定約束，半軸施加F1=1000 N、F2=1000 N、F3=7500 N等3個方向的力，有限元模型如圖4所示。箱體和軸承座的材料均采用HT200鑄鐵，材料力學性能如表1所示。有限元分析計算結果如圖5所示，從Mises應力云圖獲知，軸承座的最大應力值為188.4 MPa。軸承座采用HT200鑄造，其屬于脆性材質，根據最大拉應力理論（第一強度理論），無論材料處于什么應力狀態，只要發生脆性斷裂其共同原因都是由于單元體內的最大拉應力σ1達到材料單向拉伸斷裂時的最大拉應力，即強度極限σb[5-6]。即：

圖3 變速箱簡化模型

圖4 有限元模型

表1 單鑄試棒及鑄件預計的力學性能[4]

滿足式（1）條件時材料破裂。計算結果表明，軸承座的最大Mises應力為188.4 MPa ＜220 MPa, 根據第一強度理論準則判斷軸承座應該不會開裂，但是軸承座在實際試驗時開裂了（如圖2）。軸承座破裂的原因有可能是旋耕機工作時受到隨機沖擊載荷和疲勞后而破裂失效，因此，需要對軸承座進行疲勞分析才能確定破壞原因。

圖5 Mises應力云圖

2.2 軸承座疲勞分析

采用隨機載荷加載，加載頻率為10 Hz，期望安全系數為1.4，軸承座設計的壽命按照無限壽命原則確定循環次數為1×106次，隨機載荷譜如圖6所示。通過分析得到結果如圖7所示，軸承座的使用壽命為1×103.675次，即4731次就發生了破裂，破裂位置在零件的根部，分析結果與圖2實際破裂位置基本吻合，表明計算正確。從分析結果可知，軸承座需要進行結構改進。

圖6 隨機載荷譜

圖7 壽命對數值云圖

3 軸承座結構改進后應力和疲勞分析

3.1 改進后的軸承座應力分析

軸承座在四周增加了4條加強筋，由于變速箱體安裝空間限制，法蘭設計成橢圓形避免安裝干涉，改進后的變速箱體結構如圖8所示。軸承座左右對稱，為了節約計算時間、提高計算效率，對與計算無關的零件進行刪除和簡化，只保留右側的箱體、軸承、軸承座和半軸，簡化后的模型如圖9所示。采用同樣的網格劃分方式和加載。有限元分析計算結果如圖10所示，從Mises應力云圖獲知，軸承座的最大應力值為112.7 MPa，比原來結構的軸承座應力降低了75.7 MPa，大約降低了40.18%。

圖8 結構改進后變速箱模型

圖9 變速箱簡化模型

3.2 改進后的軸承座疲勞分析

圖10 Mises應力云圖

表2 使用可靠性指標[7]

采用隨機載荷加載，加載頻率為10 Hz，期望安全系數為1.4，軸承座設計壽命按照無限壽命原則確定循環次數為1×106次，隨機載荷譜如圖6所示。通過分析得到結果見圖11，軸承座的使用壽命為1 ×106.106次，即1 276 438次，達到了預期的設計目標。變速箱進行最終整機試驗，試驗方法：按照旋耕機國家標準（GB/T 5668-2008），可靠性指標進行破壞耐久可靠試驗[7]使用可靠性指標如表2所示。試驗結果完全滿足使用要求，目前產品已經批量生產，產品如圖12所示。

圖11 壽命對數值云圖

圖12 產品實物圖

4 結 論

通過數值模擬和產品試制表明，如果軸承座僅計算靜力載荷下的強度就判斷其設計是否合理有一定的局限性，還需要分析零件在工作狀態下的疲勞壽命才能正確判斷零件設計是否合理。軸承座進行結構改進后，通過靜力應力強度和疲勞壽命分析獲知軸承座滿足設計要求。通過產品試制表明，數值模擬計算和試制產品結果基本一致，改進后的零件結構設計合理，為類似零件結構設計和計算方法，提供了設計新思路和新方法。