球籠式等速萬(wàn)向節(jié)壽命分析和預(yù)測(cè)

秦健健，喬繼禹，鐘芳平，石明全，2

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

0 引言

等速萬(wàn)向節(jié)是汽車(chē)驅(qū)動(dòng)軸的關(guān)鍵部件之一，常見(jiàn)的等速萬(wàn)向節(jié)有球叉式，球籠式等。在動(dòng)力傳遞過(guò)程中，萬(wàn)向節(jié)各個(gè)部件具有復(fù)雜的接觸力學(xué)關(guān)系，較難進(jìn)行直接受力分析計(jì)算，因此仿真分析對(duì)其壽命預(yù)測(cè)、而且由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，構(gòu)件間的相互作用也難以通過(guò)試驗(yàn)直接測(cè)定，壽命實(shí)驗(yàn)的周期過(guò)長(zhǎng)，代價(jià)較大，不利于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段的反復(fù)迭代和優(yōu)化。因此仿真分析對(duì)其壽命預(yù)測(cè)、優(yōu)化設(shè)計(jì)等具有重要意義。

眾多學(xué)者對(duì)球籠式等速萬(wàn)向節(jié)進(jìn)行了力學(xué)分析，但早期計(jì)算只能假設(shè)一個(gè)固定位置來(lái)進(jìn)行[1-2]。張?jiān)魄澹?覃剛[3]等人建立了多體接觸碰撞力學(xué)模型，進(jìn)行了動(dòng)態(tài)接觸應(yīng)力分析。石寶樞、郭靜芬[4-5]等人對(duì)探究了七溝道球籠式等速萬(wàn)向節(jié)的接觸應(yīng)力與優(yōu)化設(shè)計(jì)規(guī)律，以及鋼球數(shù)與載荷和幾何結(jié)構(gòu)的關(guān)系。楊雙清、胡歡等人[6]對(duì)多種滾道截面萬(wàn)向節(jié)進(jìn)行了有限元分析，Kimata[7]進(jìn)行了極限角度下的進(jìn)行靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)的對(duì)比分析，舒文濤等[8]研究了不同角度下保持架窗與鋼球間隙對(duì)接觸應(yīng)力的影響。

本文運(yùn)用仿真分析技術(shù)，通過(guò)動(dòng)力學(xué)分析得到結(jié)構(gòu)的載荷譜。采用雨流計(jì)數(shù)法進(jìn)行疲勞計(jì)算并得到疲勞壽命云圖。材料在承受循環(huán)加載的過(guò)程中其應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)表現(xiàn)出記憶特征，而雨流計(jì)數(shù)法能記錄材料應(yīng)變歷程，且刪除了無(wú)意義的信號(hào)分量。考慮到零件部分位置進(jìn)行了淬火，因此實(shí)際材料壽命的預(yù)測(cè)還應(yīng)結(jié)合到淬火工藝進(jìn)行具體分析，本文亦給出了一般方法和流程以供借鑒。

1 分析模型建立

1.1 結(jié)構(gòu)模型及網(wǎng)格模型

UF球籠式等速萬(wàn)向節(jié)結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，主要由外輪、內(nèi)輪、保持架、鋼球組成。保持架上有6個(gè)窗體容納鋼球，外輪上有6個(gè)球道供鋼球移動(dòng)。

圖1 幾何簡(jiǎn)化模型 、網(wǎng)格模型、動(dòng)力學(xué)分析模型

工程模型在進(jìn)行幾何簡(jiǎn)化后仍然存在面積較細(xì)小區(qū)域，如花鍵齒處、球道細(xì)節(jié)處等，可采用較小單元?jiǎng)澐郑溆辔恢脛t使用較大單元。網(wǎng)格劃分后如圖1（b）所示。

1.2 靜力學(xué)仿真工況

本模型采用6°夾角660 N·m靜載荷條件下進(jìn)行仿真分析計(jì)算，載荷加于外輪花鍵，花鍵中心處施加除軸向約束外的所有約束，并約束花鍵非軸向轉(zhuǎn)動(dòng)，外輪尾部施加軸向約束，保持架與鋼球不施加任何約束，為完全自由運(yùn)動(dòng)并達(dá)到運(yùn)動(dòng)接觸平衡。材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

1.3 動(dòng)力學(xué)仿真工況

詳細(xì)信息見(jiàn)表2。

表2 邊界條件

2 結(jié)果與討論

2.1 靜力學(xué)分析結(jié)果

如圖2所示，淬火位置外輪內(nèi)圓及球槽部位表面、桿部及花鍵部位強(qiáng)度不小于2 390MPa，花鍵軸芯部約為1 039MPa。外輪與鋼球接觸處最大接觸應(yīng)力1 232 MPa，整體接觸應(yīng)力約615.8 MPa，最大接觸應(yīng)力大于許用接觸應(yīng)力3 750 MPa，推測(cè)不會(huì)發(fā)生形變。全部零件詳細(xì)信息見(jiàn)表3。

表3 結(jié)果數(shù)據(jù)

圖2 應(yīng)力云圖

2.2 動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果

如圖3所示，金屬表面淬火可以大幅提高表面硬度、剛性、耐磨性等，本零件在外輪花鍵處采用熱處理出淬硬層，極大提高了表面壽命。動(dòng)力學(xué)分析模型不設(shè)置淬硬層，因此得到疲勞壽命結(jié)果后結(jié)合淬硬層性質(zhì)來(lái)分析外輪，見(jiàn)圖4。

圖3 材料S-N曲線

圖4 疲勞云圖

在不考慮淬火的情況下，從圖5可以看出，外輪最短壽命出現(xiàn)在外輪內(nèi)滾道和鋼球接觸處，其次是外輪花鍵部位，當(dāng)外輪滾道對(duì)數(shù)壽命約為6.048，即旋轉(zhuǎn)次數(shù)為116 863次時(shí)，外輪滾道可能出現(xiàn)凹坑或有裂紋萌生。

圖5 外輪花鍵部位壽命云圖

圖6 保持架危險(xiǎn)截面疲勞云圖

內(nèi)輪最短壽命出現(xiàn)在內(nèi)輪和鋼球接觸的部位，表面材料平均對(duì)數(shù)壽命約6.417，即旋轉(zhuǎn)次數(shù)約為2 612 161次時(shí)，內(nèi)輪表面會(huì)出現(xiàn)輕微破壞。

3 仿真總結(jié)與實(shí)驗(yàn)

3.1 總結(jié)

淬火工藝可以賦予金屬表面更強(qiáng)的剛度并保護(hù)內(nèi)部不會(huì)失效，以外輪花健與頸部為例，花鍵表面淬火后抗拉強(qiáng)度達(dá)到了2 390 MPa，與仿真中未設(shè)定淬硬層所得到的結(jié)果相比，可以完全避免花鍵及內(nèi)部軸桿的損壞，同時(shí)頸部則沒(méi)有經(jīng)過(guò)淬火工藝，在花鍵內(nèi)部完整的情況下，失效部位由頸部向外擴(kuò)散，壽命云圖為圖7所示。與圖5（b）對(duì)比，淬硬層完整保護(hù)了花鍵及內(nèi)部材料的完整，大大提高外輪的整體壽命，預(yù)測(cè)應(yīng)超過(guò)200 000次。但完整的花鍵軸心施加給了頸部更大的力矩，使得相同時(shí)間下頸部向內(nèi)發(fā)生更嚴(yán)重的失效侵蝕，令該處成為薄弱環(huán)節(jié)。

圖7 淬火外輪花健疲勞云圖仿真

3.2 扭轉(zhuǎn)疲勞實(shí)驗(yàn)

將三組樣品總成與轉(zhuǎn)向器聯(lián)接的一端固定，從方向盤(pán)一端施加正反方向轉(zhuǎn)矩，按照國(guó)標(biāo)方法進(jìn)行扭轉(zhuǎn)疲勞測(cè)試（圖8），分別為來(lái)樣照片、實(shí)驗(yàn)照片、實(shí)驗(yàn)后照片。測(cè)試結(jié)果如表4所示，三組樣品均在20萬(wàn)次測(cè)以后未發(fā)生失效，符合仿真結(jié)果。

圖8 試樣照片

表4 測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

文中對(duì)UF型球籠式等速萬(wàn)向節(jié)靜載荷與動(dòng)載荷下進(jìn)行強(qiáng)度分析與疲勞分析，得到了接觸應(yīng)力分布圖與壽命云圖，經(jīng)過(guò)分析得出以下結(jié)論：

（1） 使用已經(jīng)較為成熟的靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)仿真方法，將二者結(jié)合后用于疲勞仿真可得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果。

（2） 無(wú)淬火的情況下，外輪最短壽命出現(xiàn)在外輪內(nèi)滾道和鋼球接觸處以及花鍵處，當(dāng)旋轉(zhuǎn)次數(shù)約為120 000次時(shí)，外輪滾道可能出現(xiàn)凹坑或有裂紋萌生，桿部可能會(huì)出現(xiàn)不可逆變形。內(nèi)輪、保持架與鋼球壽命均超過(guò)200 000次。

（3） 淬火情況下外輪滾道、花鍵及其內(nèi)部材料壽命大大提高，遠(yuǎn)大于鐘形罩與外輪桿連接處，因此判斷頸部為制約整體壽命的薄弱環(huán)節(jié)。