基于MASTA的汽车变速箱轴承失效分析和结构选型设计

2023-07-10于长鑫

哈尔滨轴承 2023年2期

关键词：轴承钢钢球选型

于长鑫

（瓦房店轴承集团有限责任公司，辽宁瓦房店 116300）

1 前言

6015NR轴承在试验后发生振动和噪声增大的现象，对轴承进行拆解发现轴承内圈偏向一侧有圆周向的疲劳剥落的痕迹，对应的外圈另一侧也有疲劳痕迹，初步判断轴承使用过程中存在越肩现象。

本文以该轴承为研究对象，利用MASTA软件进行仿真建模分析。通过对轴承内部工作面的接触应力、轴承寿命、轴承越肩率等要素进行参数化研究，最终实现该位置轴承结构的优化设计。

2 失效特征分析

2.1 失效特征

失效轴承外观无异常，包括内外圈表面无损伤、保持架完整和铆钉无松脱缺损，但是转动轴承时会有明显的阻滞感。将轴承拆解后，发现钢球表面无损坏，内外圈滚道有明显剥落痕迹（如图1），内圈滚道的工作印记严重偏向一侧，滚道被过大的轴向力沿轴向方向向一侧拉长，工作轨迹示意图见图2。

图1 内外圈失效痕迹

图2 工作轨迹示意图

2.2 失效分析

根据失效现象初步推测，轴承受到较大的轴向力导致轴承产生较大偏载[1]，促使轴承提前失效。为了验证上述推论，下面将使用MASTA软件进行理论分析，并根据结果优化设计符合使用要求的轴承。

2.3 理化检测

初步的失效特征分析后，选取内圈、外圈和1粒钢球，检测其硬度和显微组织，检测结果见表1、图3、图4和图5。根据检测结果，轴承的内外圈和钢球的硬度及显微组织都符合标准规定[2]。

表1 轴承显微组织检测结果

图3 外圈显微组织和网状碳化物组织

图4 内圈显微组织和网状碳化物组织

图5 钢球显微组织和网状碳化物组织

3 优化设计思路

如图6所示，首先根据变速箱副箱轴承的实际使用工况条件进行仿真建模，输入相应的参数，如轴承内部的详细参数、轴承的位置尺寸、变速箱试验载荷谱等。

图6 轴承优化设计流程

模型建立完成之后，计算轴承内部应力分布状态及其对应的最大应力值，判断最大应力是在哪个工况下产生的，对比轴承计算寿命是否满足试验要求寿命；然后计算各工况下轴承承受的轴向载荷；同时对轴承钢球越肩率进行分析，判断越肩率是否满足使用要求。

最后，结合上述计算结果对轴承结构类型进行优化设计。

4 结构选型具体过程

本文采用仿真计算软件MASTA对变速箱主轴后端轴承进行优化设计，该软件是一款针对传动系统选配、设计和开发的专用软件。针对轴承方面的仿真计算是基于ISO281、ISO/TS16281、ISO76等标准中的理论公式进行的。其计算效率高、计算结果准确可靠，在国内外汽车、风电、轨道交通等多个行业领域得到广泛的应用[2]。

4.1 仿真模型建立

如图7所示，根据汽车变速箱副箱的设计输入参数进行建模。模型建立完成后输入轴承的试验工况载荷谱，包括输入轴的扭矩和转速以及各工况时间占比，具体参数见表2。同时将轴承内部详细参数输入软件中[3]，参数详见表3。

表2 轴承试验载荷谱

表3 轴承基本参数

图7 MASTA 软件建立仿真模型

4.2 轴承初步计算

仿真模型建好以后进行初步仿真计算，考虑整个模型系统变形等因素，具体计算结果如表4、表5：

表4 轴承内部接触应力

表5 轴承寿命及越肩率

由以上计算结果可知：6015NR轴承在正、反向工况下所有钢球都存在钢球越肩率大于0的情况，最大越肩率更是超过了10%，（如图8和图9所示），这是因为轴承承受了较大的轴向力。由于深沟球轴承主要承受径向力，可承受较小的轴向力，所以此时在轴向力的作用下6015NR轴承钢球越肩风险会大大增加，这就导致轴承的提前失效。计算与实际相吻合。由此，主轴后端轴承的类型就不应该使用深沟球轴承，在保证外形尺寸相同的情况下，我们需要对该位置所使用的轴承进行选型优化设计。

图8 正向工况轴承钢球越肩率

图9 反向工况轴承钢球越肩率

4.3 轴承结构选型设计

结合以上计算结果，轴承选型需要满足外形尺寸和6015NR相同，并且可承受较大轴向力。根据各类型轴承特点，选择内圈一体式四点接触球轴承作为优化轴承。此轴承在外部结构尺寸上和深沟球轴承相同；内部桃形沟的滚道设计保证轴承具有接触角，可承受轴向力，且接触角越大轴向承载能力越高。优化设计的轴承参数如表6所示：

表6 一体式四点接触球轴承基本参数

4.4 一体式四点接触球轴承计算结果

为验证一体式四点接触球轴承方案的可行性，将MASTA模型中6015NR轴承替换为新方案的一体式四点接触球轴承，进行对比计算。计算结果如表7和表8：

表7 轴承内部接触应力

表8 轴承寿命及越肩率

由上述结果可知：相较于6015NR轴承，选择一体式四点接触球轴承QJB1015NR应用于此位置时，受到的载荷虽然相同，但是后者接触应力要明显小于前者；而又因其可同时承受径向负荷与轴向负荷[5]，承载能力更强，理论寿命也有明显提升。并且优化方案中轴承钢球越肩率为0（如图10和图11所示），体现出其优秀的轴向承载能力。