主减速器主动齿轮轴承工作寿命的仿真研究

吴志猛

(上海涟屹轴承科技有限公司，上海 201100)

0 引言

某微型MPV汽车，虽然其乘坐舒适度比微型汽车大大提高，但是通过实车测试分析，驱动系统主减速器的振动和噪声问题仍然突出[1]。本文通过ADAMS仿真研究了支撑轴承在不同跨距下的工作寿命，通过在30305 TRB(圆锥滚子轴承)和30306 TRB之间设置合理的跨距以支持传动齿轮，改善了齿轮啮合状态，延长了轴承的使用寿命，进而减少齿轮啮合的振动和噪声，提高了车辆NVH性能。

1 轴承工作寿命计算

主减速器的主动齿轮由30305轴承和30306轴承支撑，结构如图1所示。齿轮之间的啮合产生径向力FR和轴向力FA。本文根据力的方向研究30306轴承的工作寿命，通过设置两轴承间的合理跨距来支持主动齿轮，齿轮啮合力的状态得到改善，进而可以达到改善30306轴承工作寿命的目的。

图1 主动齿轮和轴承剖面图

轴承寿命的计算公式[2]为：

(1)

轴承工作温度在100℃以下，实验冲击轻微。根据表1和表2，fT= 1，fp= 1。根据图纸可知，轴承的动态额定载荷C= 63 kN，当量动态载荷P可以通过模拟获得。

表1 温度系数

表2 载荷系数

2 轴承载荷仿真分析

本文通过ADAMS仿真计算工作期间的等效动力载荷，统计了轴向载荷和径向载荷。主减速器由行星齿轮、轴承、差速器壳、主减速器壳体、法兰盖和主从动齿轮组成。 根据图纸的尺寸，所有零件都由UG建模并按照要求装配。为了便于观察并且不影响仿真的准确性，主减速器壳体被简化为4个轴承座。主减速器模型如图2所示。

1—主动齿轮；2—305轴承；3—305轴承位；4—306轴承；5—306轴承位；6—差速器壳；7—从动齿轮；8(9)—208轴承位；10(11)—208轴承。

通过调整305轴承和306轴承之间的跨距，来提高齿轮-轴承系统的刚度。采用定量方法对6组不同跨距的轴承进行调整，跨距分别为54 mm、55 mm、56 mm、57 mm、58 mm、59 mm。其他组件的尺寸和安装尺寸保持不变，然后将模型导入到ADAMS中。

2.1 仿真前处理

根据图纸，主减速器的主要参数如表3所示。

表3 载荷系数

齿轮和轴承的不同部分之间有相对运动，因此存在接触力，计算齿轮接触副和轴承元件接触对的参数[3]，公式如下。

(1)

(2)

(3)

轴承接触副的参数可以通过相同的方法获得，它们显示在表4中。

表4 轴承接触副的参数 单位：N/mm

齿轮接触副和轴承元件接触副的参数设置如图3所示[4-5]。

图3 接触副参数设置

对组件添加约束，主减速器与大地固定在一起；轴承与减速器壳为固定副；主从动齿轮上为旋转副。根据微型MPV车的速度范围，将驱动速度添加给主动齿轮。驱动速度分别为800 r/min，1 500 r/min，2 000 r/min，3 000 r/min，4 000 r/min和5 000 r/min。通过额定负载情况下的计算，从动齿轮的负载转矩设置为500 N·m，仿真模型如图4所示。

图4 主减速器仿真模型

2.2 仿真结果统计分析

在仿真过程中，0.2 s达到最大速度，之后稳定不变，所以不考虑0～0.2 s的加速过程。仿真总时间为0.4 s，步长为0.001 s。在轴承间距为55 mm和驱动速度为800 r/min的情况下，轴向载荷时域图如图5所示。

图5 轴承跨距55mm的轴向负荷时域图

表5和表6显示了不同的转速和跨距下的载荷。

表5 不同速度和跨距下的径向载荷

表6 不同速度和跨距下的轴向载荷

2.3 计算当量动载荷

在计算轴承的工作寿命时，不能直接采用作用于轴承的实际载荷，必须转换成等效动载荷。在实际工作中，轴承在等效载荷下的工作寿命与在径向载荷和轴向载荷共同作用下的寿命相等。

等效动载荷P与实际工作负荷之间的关系为[6-7]：

P=xFR+yFA

(5)

式中：x—径向动载荷系数；y—轴向动载荷系数。当轴向动载荷FA与径向动载荷FR的比值大于e的值时，由于FA的影响较大，在计算当量动载荷时必须考虑FA。 30306轴承的压力角为15°，根据圆锥滚子轴承，e的值是1.5 tanα=0.4。从表5和表6中可知，FR/FA≥e=0.4，所以x=0.4，y=0.4 cotα=1.5。 所以当量动载荷为：

P=0.4FR+1.5FA

(6)

经计算，不同转速和跨距下的当量动载荷如表7所示。

表7 不同速度和跨距下的当量动载荷

3 轴承工作寿命

通过式(1)可以获得轴承的工作寿命，不同转速和轴承跨距下的轴承工作寿命如表8所示。

表8 不同转速和跨距下的轴承工作寿命

从表8分析可知，当轴承间距为55 mm时，30306轴承的工作寿命较长。在该范围内，30305轴承和30306轴承可以更好地支撑主动齿轮，并且主减速器性能得到提高，噪声和振动减少。

4 结语

本文的研究表明：通过调节30305轴承和30306轴承在主动齿轮上的跨距，可以提高主动齿轮-轴承系统的刚度，进而延长30306轴承的工作寿命。根据仿真结果，当30305轴承和30306轴承之间的跨距为55 mm时，系统刚度较好，同时30306轴承具有更长的工作寿命。并且主减速器性能得到提高，微型MPV汽车的舒适性得到改善。