不同载荷工况下轴承的接触特性分析

张敬东，起雪梅，黎辉

（攀枝花学院 交通与汽车工程学院，四川 攀枝花 617000）

变速器能改变发动机传到驱动轮上的转矩和转速，在原地起步、爬坡、转弯、加速等各种行驶工况下，其使汽车获得不同的牵引力和速度，同时使发动机在最有利的工况范围内工作，汽车变速器性性能直接影响发动机能否在其最佳的动力性能状态下工作［1］。轴承作为汽车变速器关键零件，其精度、振动和接触特性等指标对变速器的性能状态起着决定性的作用。

文献［2］对汽车驱动桥主减速器圆锥滚子轴承的滚子进行了接触应力分析，得出了在外部载荷和惯性力下的接触应力分布。汽车在运行过程中，滚子与内外圈之间的接触特性比较复杂，故存在计算过程复杂和计算不准确的问题［3-4］。以往对圆锥滚子轴承中载荷分布的研究，局限于对仅承受径向载荷、轴向载荷的情况，而未研究汽车在实际不同载荷工况下每个滚动体与滚道之间接触应力分布，而滚子与滚道的接触应力分布对圆锥滚子轴承的疲劳寿命有显著影响［5-6］。

下文在Romax软件中对不同载荷工况下的变速器输出轴轴承的接触特性进行分析，对滚动体在滚道中运行时的接触应力进行计算，得出在不同工况下内外圈的接触应力分布，为减速器输出轴轴承寿命的预测提供依据。

1 建立模型

在Romax软件中对某汽车手动变速器进行三维建模，利用该软件中的平行轴建模平台确定了变速器中的输入轴、中间轴和输出轴。文中仅研究前进挡对输出轴轴承滚道的接触应力影响，因此在模型中只对前进挡啮合副进行了建模，最后在Romax中对模型进行定位装配，得到不包含箱体的变速器三维简化模型如图1所示，输出轴轴承型号为SKF30207，其具体参数见表1［7］。

图1 某变速器三维简化模型

表1 圆锥滚子轴承参数

2 圆锥滚子轴承受力分析

圆锥滚子受到内、外圈和挡边接触力的作用如图2所示，三者满足如下关系［5］

图2 圆锥滚子轴承滚子受力图

式中：Qi为内滚道接触力；Qe为外滚道接触力；Qf为挡边接触力；αi为内滚道接触角；αe为外滚道接触角；αf为挡边接触角。

轴承的接触区域为椭圆，文献［8］给出了Hertz线接触理论的应力分布（图3）和相关公式，其中横坐标x为轴承轴向，纵坐标为应力分布，则

图3 Hertz线接触理论的应力分布图

式中：a为接触椭圆区域的长半轴；Q为承受载荷；l为接触长度；E′为综合弹性模量；∑ρ为曲率和函数；p0为接触应力。

3 接触应力分析

文献［7-9］用Romax软件对输出轴轴承在不同载荷工况下内外圈接触应力进行分析，变速器的载荷工况见表2。该圆锥滚子轴承及套圈材料为轴承钢，并且滚子与套圈有凸度，材料弹性模量和泊松比分别为E＝207 GPa，ν＝0.3。

表2 变速器载荷工况

在不同载荷工况下，得出内、外圈与16个滚子沿滚子长度方向的接触应力分布大致相同，接触应力在滚子中心附近最大，远离滚子中心接触应力值逐渐减小，在滚子两端接触应力为0，整个应力分布接近抛物线状，基本符合Hertz接触理论的应力分布规律。其中3挡载荷工况下滚子与套圈的接触应力如图4所示，最大接触应力见表3。

图4 3挡载荷工况下滚子与套圈接触应力

表3 不同载荷工况下滚子与内外圈最大接触应力 MPa

沿滚子长度方向，内外圈滚道上接触应力分布不均匀且差别较大，皆出现接触应力为0的区域，使部分滚子工作状况恶化，接触区域存在严重的偏载现象，而使内外圈产生严重的应力集中。

在其他条件相同的情况下，对不同工况下的接触应力进行了对比，结果如图5所示。可以看出，挡位越小，轴承的内外圈接触应力越大。

图5 不同工况下最大接触应力对比

4 结论

（1）模拟结果表明了轴承在不同工况下的滚道接触应力分布，符合Hertz接触理论；接触应力在滚子中心附近最大，远离滚子中心逐渐减小且在滚子两端的接触应力为0。

（2）其他条件相同，挡位越小，滚道接触区域最大接触应力越大。