球籠式等速萬向節壽命分析和預測

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

等速萬向節是汽車驅動軸的關鍵部件之一，常見的等速萬向節有球叉式，球籠式等。在動力傳遞過程中，萬向節各個部件具有復雜的接觸力學關系，較難進行直接受力分析計算，因此仿真分析對其壽命預測、而且由于結構特點，構件間的相互作用也難以通過試驗直接測定，壽命實驗的周期過長，代價較大，不利于產品開發階段的反復迭代和優化。因此仿真分析對其壽命預測、優化設計等具有重要意義。

眾多學者對球籠式等速萬向節進行了力學分析，但早期計算只能假設一個固定位置來進行[1-2]。張云清， 覃剛[3]等人建立了多體接觸碰撞力學模型，進行了動態接觸應力分析。石寶樞、郭靜芬[4-5]等人對探究了七溝道球籠式等速萬向節的接觸應力與優化設計規律，以及鋼球數與載荷和幾何結構的關系。楊雙清、胡歡等人[6]對多種滾道截面萬向節進行了有限元分析，Kimata[7]進行了極限角度下的進行靜態和準靜態的對比分析，舒文濤等[8]研究了不同角度下保持架窗與鋼球間隙對接觸應力的影響。

本文運用仿真分析技術，通過動力學分析得到結構的載荷譜。采用雨流計數法進行疲勞計算并得到疲勞壽命云圖。材料在承受循環加載的過程中其應力應變響應表現出記憶特征，而雨流計數法能記錄材料應變歷程，且刪除了無意義的信號分量。考慮到零件部分位置進行了淬火，因此實際材料壽命的預測還應結合到淬火工藝進行具體分析，本文亦給出了一般方法和流程以供借鑒。

1 分析模型建立

1.1 結構模型及網格模型

UF球籠式等速萬向節結構如圖1（a）所示，主要由外輪、內輪、保持架、鋼球組成。保持架上有6個窗體容納鋼球，外輪上有6個球道供鋼球移動。

圖1 幾何簡化模型 、網格模型、動力學分析模型

工程模型在進行幾何簡化后仍然存在面積較細小區域，如花鍵齒處、球道細節處等，可采用較小單元劃分，其余位置則使用較大單元。網格劃分后如圖1（b）所示。

1.2 靜力學仿真工況

本模型采用6°夾角660 N·m靜載荷條件下進行仿真分析計算，載荷加于外輪花鍵，花鍵中心處施加除軸向約束外的所有約束，并約束花鍵非軸向轉動，外輪尾部施加軸向約束，保持架與鋼球不施加任何約束，為完全自由運動并達到運動接觸平衡。材料參數如表1所示。

表1 材料參數

1.3 動力學仿真工況

詳細信息見表2。

表2 邊界條件

2 結果與討論

2.1 靜力學分析結果

如圖2所示，淬火位置外輪內圓及球槽部位表面、桿部及花鍵部位強度不小于2 390MPa，花鍵軸芯部約為1 039MPa。外輪與鋼球接觸處最大接觸應力1 232 MPa，整體接觸應力約615.8 MPa，最大接觸應力大于許用接觸應力3 750 MPa，推測不會發生形變。全部零件詳細信息見表3。

表3 結果數據

圖2 應力云圖

2.2 動力學分析結果

如圖3所示，金屬表面淬火可以大幅提高表面硬度、剛性、耐磨性等，本零件在外輪花鍵處采用熱處理出淬硬層，極大提高了表面壽命。動力學分析模型不設置淬硬層，因此得到疲勞壽命結果后結合淬硬層性質來分析外輪，見圖4。

圖3 材料S-N曲線

圖4 疲勞云圖

在不考慮淬火的情況下，從圖5可以看出，外輪最短壽命出現在外輪內滾道和鋼球接觸處，其次是外輪花鍵部位，當外輪滾道對數壽命約為6.048，即旋轉次數為116 863次時，外輪滾道可能出現凹坑或有裂紋萌生。

圖5 外輪花鍵部位壽命云圖

圖6 保持架危險截面疲勞云圖

內輪最短壽命出現在內輪和鋼球接觸的部位，表面材料平均對數壽命約6.417，即旋轉次數約為2 612 161次時，內輪表面會出現輕微破壞。

3 仿真總結與實驗

3.1 總結

淬火工藝可以賦予金屬表面更強的剛度并保護內部不會失效，以外輪花健與頸部為例，花鍵表面淬火后抗拉強度達到了2 390 MPa，與仿真中未設定淬硬層所得到的結果相比，可以完全避免花鍵及內部軸桿的損壞，同時頸部則沒有經過淬火工藝，在花鍵內部完整的情況下，失效部位由頸部向外擴散，壽命云圖為圖7所示。與圖5（b）對比，淬硬層完整保護了花鍵及內部材料的完整，大大提高外輪的整體壽命，預測應超過200 000次。但完整的花鍵軸心施加給了頸部更大的力矩，使得相同時間下頸部向內發生更嚴重的失效侵蝕，令該處成為薄弱環節。

圖7 淬火外輪花健疲勞云圖仿真

3.2 扭轉疲勞實驗

將三組樣品總成與轉向器聯接的一端固定，從方向盤一端施加正反方向轉矩，按照國標方法進行扭轉疲勞測試（圖8），分別為來樣照片、實驗照片、實驗后照片。測試結果如表4所示，三組樣品均在20萬次測以后未發生失效，符合仿真結果。

圖8 試樣照片

表4 測試結果

4 結論

文中對UF型球籠式等速萬向節靜載荷與動載荷下進行強度分析與疲勞分析，得到了接觸應力分布圖與壽命云圖，經過分析得出以下結論：

（1） 使用已經較為成熟的靜力學與動力學仿真方法，將二者結合后用于疲勞仿真可得到較為準確的結果。

（2） 無淬火的情況下，外輪最短壽命出現在外輪內滾道和鋼球接觸處以及花鍵處，當旋轉次數約為120 000次時，外輪滾道可能出現凹坑或有裂紋萌生，桿部可能會出現不可逆變形。內輪、保持架與鋼球壽命均超過200 000次。

（3） 淬火情況下外輪滾道、花鍵及其內部材料壽命大大提高，遠大于鐘形罩與外輪桿連接處，因此判斷頸部為制約整體壽命的薄弱環節。