球笼式等速万向节寿命分析和预测

2021-12-17秦健健乔继禹钟芳平石明全

装备制造技术 2021年9期

秦健健，乔继禹，钟芳平，石明全，2

（1.中国科学院重庆绿色智能研究院嘉兴工业设计工程中心，浙江嘉兴 314000；2.中国科学院重庆绿色智能研究院重庆 400714；3.浙江欧迪恩传动科技股份有限公司，浙江嘉兴 314200）

0 引言

等速万向节是汽车驱动轴的关键部件之一，常见的等速万向节有球叉式，球笼式等。在动力传递过程中，万向节各个部件具有复杂的接触力学关系，较难进行直接受力分析计算，因此仿真分析对其寿命预测、而且由于结构特点，构件间的相互作用也难以通过试验直接测定，寿命实验的周期过长，代价较大，不利于产品开发阶段的反复迭代和优化。因此仿真分析对其寿命预测、优化设计等具有重要意义。

众多学者对球笼式等速万向节进行了力学分析，但早期计算只能假设一个固定位置来进行[1-2]。张云清，覃刚[3]等人建立了多体接触碰撞力学模型，进行了动态接触应力分析。石宝枢、郭静芬[4-5]等人对探究了七沟道球笼式等速万向节的接触应力与优化设计规律，以及钢球数与载荷和几何结构的关系。杨双清、胡欢等人[6]对多种滚道截面万向节进行了有限元分析，Kimata[7]进行了极限角度下的进行静态和准静态的对比分析，舒文涛等[8]研究了不同角度下保持架窗与钢球间隙对接触应力的影响。

本文运用仿真分析技术，通过动力学分析得到结构的载荷谱。采用雨流计数法进行疲劳计算并得到疲劳寿命云图。材料在承受循环加载的过程中其应力应变响应表现出记忆特征，而雨流计数法能记录材料应变历程，且删除了无意义的信号分量。考虑到零件部分位置进行了淬火，因此实际材料寿命的预测还应结合到淬火工艺进行具体分析，本文亦给出了一般方法和流程以供借鉴。

1 分析模型建立

1.1 结构模型及网格模型

UF球笼式等速万向节结构如图1（a）所示，主要由外轮、内轮、保持架、钢球组成。保持架上有6个窗体容纳钢球，外轮上有6个球道供钢球移动。

图1 几何简化模型、网格模型、动力学分析模型

工程模型在进行几何简化后仍然存在面积较细小区域，如花键齿处、球道细节处等，可采用较小单元划分，其余位置则使用较大单元。网格划分后如图1（b）所示。

1.2 静力学仿真工况

本模型采用6°夹角660 N·m静载荷条件下进行仿真分析计算，载荷加于外轮花键，花键中心处施加除轴向约束外的所有约束，并约束花键非轴向转动，外轮尾部施加轴向约束，保持架与钢球不施加任何约束，为完全自由运动并达到运动接触平衡。材料参数如表1所示。

表1 材料参数

1.3 动力学仿真工况

详细信息见表2。

表2 边界条件

2 结果与讨论

2.1 静力学分析结果

如图2所示，淬火位置外轮内圆及球槽部位表面、杆部及花键部位强度不小于2 390MPa，花键轴芯部约为1 039MPa。外轮与钢球接触处最大接触应力1 232 MPa，整体接触应力约615.8 MPa，最大接触应力大于许用接触应力3 750 MPa，推测不会发生形变。全部零件详细信息见表3。

表3 结果数据

图2 应力云图

2.2 动力学分析结果

如图3所示，金属表面淬火可以大幅提高表面硬度、刚性、耐磨性等，本零件在外轮花键处采用热处理出淬硬层，极大提高了表面寿命。动力学分析模型不设置淬硬层，因此得到疲劳寿命结果后结合淬硬层性质来分析外轮，见图4。

图3 材料S-N曲线

图4 疲劳云图

在不考虑淬火的情况下，从图5可以看出，外轮最短寿命出现在外轮内滚道和钢球接触处，其次是外轮花键部位，当外轮滚道对数寿命约为6.048，即旋转次数为116 863次时，外轮滚道可能出现凹坑或有裂纹萌生。

图5 外轮花键部位寿命云图

图6 保持架危险截面疲劳云图

内轮最短寿命出现在内轮和钢球接触的部位，表面材料平均对数寿命约6.417，即旋转次数约为2 612 161次时，内轮表面会出现轻微破坏。

3 仿真总结与实验

3.1 总结

淬火工艺可以赋予金属表面更强的刚度并保护内部不会失效，以外轮花健与颈部为例，花键表面淬火后抗拉强度达到了2 390 MPa，与仿真中未设定淬硬层所得到的结果相比，可以完全避免花键及内部轴杆的损坏，同时颈部则没有经过淬火工艺，在花键内部完整的情况下，失效部位由颈部向外扩散，寿命云图为图7所示。与图5（b）对比，淬硬层完整保护了花键及内部材料的完整，大大提高外轮的整体寿命，预测应超过200 000次。但完整的花键轴心施加给了颈部更大的力矩，使得相同时间下颈部向内发生更严重的失效侵蚀，令该处成为薄弱环节。