基于聯(lián)合仿真的等速萬向節(jié)疲勞壽命預測

秦健健，喬繼禹，鐘芳平，石明全，2

（1.中國科學院 重慶綠色智能研究院 嘉興工業(yè)設計工程中心，浙江 嘉興 314000；2.中國科學院 重慶綠色智能研究院，重慶 400714；3.浙江歐迪恩傳動科技股份有限公司，浙江 嘉興 314200）

0 引言

等速傳動萬向節(jié)軸承是位于汽車渦輪發(fā)動機和兩個車輪之間的一種動力連接傳動裝置，是現(xiàn)代汽車傳動系統(tǒng)的重要組成部分，主要由等速萬向節(jié)與傳動軸組成[1-5]。等速萬向節(jié)一般包括固定端萬向節(jié)和移動端萬向節(jié)，其作用為在可變角度工況下將轉矩和轉速從輸入端等速傳遞到輸出端，其中移動端為三樞軸式等速萬向節(jié)[6-8]。

等速萬向節(jié)的性能好壞直接影響到汽車正常駕駛的舒適性與駕駛安全性。為了不斷提高現(xiàn)代汽車萬向節(jié)整體的運動操縱性與綜合動力性，必須深入研究并不斷提高汽車萬向節(jié)的傳動性能和使用壽命。因此，進行動力學仿真，了解和掌握萬向節(jié)傳動過程中各零件的應力分布和大小，分析其結構易疲勞部位，繼而指導設計過程，優(yōu)化結構參數(shù)，就顯得尤為重要[9]。

早期的工程師通過理論計算得到了滾道磨損部位的大體規(guī)律[10]。楊曙光等[11]使用ANSYS對三樞軸式等速萬向節(jié)進行分析與計算，以指導萬向節(jié)的設計。吳昌林等[12]在分析三球銷式等速萬向節(jié)工作原理及各種接觸碰撞模型的基礎上，建立了萬向節(jié)含間隙結構的動力學模型，并通過算例進行了驗證。陳佳華[13]提出了預測萬向節(jié)軸承疲勞壽命的計算方法，分析了部分影響萬向節(jié)軸承疲勞壽命的因素及這些因素如何對疲勞壽命產生影響。

本文采用通用接觸算法，先對等速萬向節(jié)進行了靜力學分析，然后對等速萬向節(jié)進行了動力學分析，將得到的靜力學ODB文件和動力學載荷譜文件相結合，對等速萬向節(jié)進行了疲勞分析。

1 基本理論

1）剛體動力學方程為

3）三樞軸式等速萬向節(jié)理論分析。

三樞軸式等速萬向節(jié)由外輪、樞軸、軸承圈及滾針等組成，其結構和受力如圖1所示。

圖1 三樞軸式等速萬向節(jié)結構和受力

公式確認零度夾角時，γ=0°，α=90°，代入式（1）得到單個軸承載荷為

2 建模方法

圖2所示為等速萬向節(jié)疲勞分析的基本流程，圖3所示為幾何簡化模型。首先，使用ABAQUS對等速萬向節(jié)進行靜力學分析，施加給定載荷和約束，得到靜力學分析結果ODB文件；然后，根據(jù)工況使用ADAMS建立動力學分析模型，得到疲勞分析的載荷譜文件；最后，以計算得到的ODB文件和載荷譜文件為輸入條件，計算等速萬向節(jié)的疲勞。材料設置如表1所示。計算模型如圖4所示。

圖2 疲勞分析的基本流程

圖3 幾何簡化模型

圖4 計算模型

表1 材料參數(shù)

3 疲勞分析與實驗結果對比

3.1 疲勞分析預測

采用FE-SAFE軟件進行疲勞分析，將載荷譜文件、靜力學分析結果和材料參數(shù)輸入軟件中，得到結構的疲勞分析云圖，載荷譜文件和材料的S-N曲線如圖5、圖6所示。仿真分析得到的疲勞云圖如圖7所示。

圖5 載荷譜文件

圖6 材料的S-N曲線

從分析結果可以看出：在不考慮淬火的情況下，外輪（圖7（a））最短壽命出現(xiàn)在花鍵部位和外輪內滾道表面，外輪滾道內表面會出現(xiàn)少許凹坑；當對數(shù)壽命約為6.353（即旋轉次數(shù)為2 254 239次）時，外輪花鍵（圖7（b））表面材料可能發(fā)生破壞；軸轂最短壽命出現(xiàn)在軸轂與軸承內圈擠壓部位，軸轂（圖7（c））的表面材料平均對數(shù)壽命約為6.181（即旋轉次數(shù)約為1 517 050次）時，軸轂表面會出現(xiàn)輕微凹坑；軸承內圈（圖7（f））最短壽命出現(xiàn)在軸承內圈與滾針接觸部位，軸承內圈危險截面平均對數(shù)壽命為6.323（即旋轉次數(shù)約為2 103 778次）時，軸承內圈可能會發(fā)生破壞；軸承外圈（圖7（d））最短壽命出現(xiàn)在軸承外圈與滾針接觸部位，軸承外圈危險截面平均對數(shù)壽命約為6.551（即旋轉次數(shù)約為3 556 313次）時，軸承外圈可能會發(fā)生破壞；滾針（如圖7（e））危險截面平均對數(shù)壽命約為6.423（即旋轉次數(shù)約為2 648 500次）時，滾針可能會發(fā)生破壞。

圖7 疲勞云圖

3.2 疲勞實驗

實驗選取正常溫濕度狀態(tài)下，使用等速驅動軸扭轉疲勞試驗臺，樣件數(shù)量為3，根據(jù)國家汽車行業(yè)標準，設定扭轉次數(shù)為2×105次，實驗后觀察裂紋或斷裂情況。

如圖8（a）所示，轉向器連接到萬向節(jié)總成，施加正反方向轉矩的計算公式為

式中：M為試驗轉矩值，N·m；M0為額定輸出轉矩，N·m，大于1700 N·m者按1700 N·m計算；iω為轉向器的角傳動比；ηp為平均正傳動效率值，取0.70。實驗結果如圖8（b）、表2所示。

圖8 實驗臺測試

表2 三樞軸式等速萬向節(jié)扭轉疲勞強度實驗結果

3.3 對比分析

三樞軸式等速萬向節(jié)使用國標測試方法，所測3組樣品扭轉疲勞壽命均大于2×105次，未發(fā)生顯著崩壞，達到實驗次數(shù)時，應力集中區(qū)域確有表面可見的輕微凹陷，所得結果與仿真分析得到的指導結果大體相同，證實了該仿真分析思路的可行性。

4 結論

針對等速萬向節(jié)設計周期長、實驗成本高、性能影響范圍廣的特點，將多領域的有限元仿真方法引入等速萬向節(jié)的設計階段中，只需設計階段的初始模型及材料參數(shù)便可獲得其各種工況下的疲勞壽命預測。對現(xiàn)在廣泛應用的三樞軸式等速萬向節(jié)進行系統(tǒng)性的仿真分析和結構優(yōu)化設計，可以提早發(fā)現(xiàn)結構設計中的薄弱位置，然后通過改進設計來改善零件間接觸關系，可以提高萬向節(jié)的可靠性。使用本文方法，將較為成熟的靜力學與動力學有限元仿真相結合，可以得到比較準確的零件壽命預測。同時在對薄弱環(huán)節(jié)的分析方面，疲勞分析相比單純的靜力學分析擁有更加準確的時間屬性，可更加詳細地指導設計。