基于有限元分析的主減速器導(dǎo)向軸承座故障分析

孫瑞峰 遲豪德 李卿 李建光

摘 要：在缺少傳動(dòng)系統(tǒng)分析軟件或沒有足夠時(shí)間建立傳動(dòng)系統(tǒng)模型的前提下，我們無法提取傳動(dòng)系統(tǒng)中各軸承的準(zhǔn)確受力，本文利用理論計(jì)算公式，計(jì)算出主減速器總成內(nèi)導(dǎo)向軸承的受力，并將計(jì)算結(jié)果加載到減殼的有限元模型中，得到了主減殼導(dǎo)向軸承座的應(yīng)力分布情況，驗(yàn)證了導(dǎo)向軸承座的薄弱位置，也反過來進(jìn)一步驗(yàn)證了軸承理論計(jì)算受力的正確性與可行性。

關(guān)鍵詞：汽車驅(qū)動(dòng)橋;主減速器殼;軸承力計(jì)算;有限元分析

0 背景

試驗(yàn)室在進(jìn)行某重卡后橋整橋疲勞試驗(yàn)時(shí)發(fā)生主減速器導(dǎo)向軸承座斷裂失效故障，斷裂位置如圖1所示。本文通過對(duì)主減速器殼中導(dǎo)向軸承座進(jìn)行受力分析，檢驗(yàn)裂紋位置與受力大小及方向的關(guān)系，并提出改進(jìn)意見。

1 導(dǎo)向軸承座的受力計(jì)算

主減速器總成有圓錐滾子軸承A、B及圓柱滾子軸承C支撐主動(dòng)錐齒輪，其中圓柱滾子軸承C即為導(dǎo)向軸承，安裝軸承C的減殼位置即為導(dǎo)向軸承座。若要計(jì)算導(dǎo)向軸承上的力，首先針對(duì)該平臺(tái)主減速器總成進(jìn)行主動(dòng)錐齒輪的受力計(jì)算。

對(duì)于雙曲面齒輪，主從動(dòng)齒輪齒面寬的分度圓直徑可用下式計(jì)算，參數(shù)說明見表1。

主動(dòng)齒輪齒面上的圓周力、軸向力和徑向力公式按列表1中公式計(jì)算。

上述公式中的各項(xiàng)參數(shù)如列表2。

當(dāng)主減速器的齒輪尺寸、支承型式和軸承位置已確定時(shí)，并根據(jù)齒輪的圓周力、軸向力和徑向力，將載荷分別轉(zhuǎn)移到每個(gè)軸承上。

由主動(dòng)錐齒輪上的載荷產(chǎn)生的軸承徑向載荷的計(jì)算公式列表3。

根據(jù)以上公式，將產(chǎn)生故障的主減速器總成的相關(guān)數(shù)據(jù)代入，得出的結(jié)果如表4所示。將表4中的主動(dòng)錐齒輪載荷代入表3中的主動(dòng)錐齒輪軸承載荷計(jì)算公式，提取導(dǎo)向軸承（軸承Ⅲ）載荷，計(jì)算結(jié)果列表4。

其中，F(xiàn)r-F方向與主動(dòng)錐齒輪圓周力方向相同，均為豎直向上;Fr-R方向與主動(dòng)錐齒輪徑向力方向相同，均指向主動(dòng)錐齒輪軸線，F(xiàn)r-A為負(fù)值，則方向與Fr-R方向相反，經(jīng)計(jì)算之后合力大小為105 772N。該力的方向與斷裂位置大致成90°，該軸承座的危險(xiǎn)區(qū)域大致與合力方向成90°，并趨近于材料較少的薄弱位置。

2 有限元分析驗(yàn)證

針對(duì)以上后橋主減速器殼導(dǎo)向軸承座斷裂，對(duì)其三維模型進(jìn)行有限元分析驗(yàn)證。導(dǎo)入模型后設(shè)置減殼的材料屬性QT450-10，對(duì)所有減殼大法蘭面上的螺栓孔施加固定約束，將計(jì)算出的各項(xiàng)軸承力加載至導(dǎo)向軸承座內(nèi)孔。

分析結(jié)果：最大位移位于合力的作用點(diǎn)，而最大等效應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于減殼材料的屈服強(qiáng)度，最大等效應(yīng)力點(diǎn)位于試驗(yàn)斷裂部位，進(jìn)一步驗(yàn)證了導(dǎo)向軸承座的危險(xiǎn)區(qū)域大致遵循與合力方向成90°的規(guī)律，并趨近于薄弱位置。在設(shè)計(jì)及校核主減速器導(dǎo)向軸承座時(shí)，應(yīng)注意對(duì)應(yīng)力較大及薄弱部位進(jìn)行加強(qiáng)。

3 結(jié)束語

本文通過對(duì)軸承受力進(jìn)行理論計(jì)算，并將結(jié)果帶入有限元分析中，驗(yàn)證了零部件的故障位置，反過來也證明了理論計(jì)算的正確性，找到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方向，本文僅對(duì)主減殼的導(dǎo)向軸承座進(jìn)行分析，利用軸承受力的理論公式，可以進(jìn)一步計(jì)算減殼內(nèi)其他軸承的受力情況，并將計(jì)算結(jié)果加載到有限元模型中，為減殼及其他產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)及改進(jìn)提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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