基于MASTA的汽車變速箱軸承失效分析和結構選型設計

于長鑫

（瓦房店軸承集團有限責任公司，遼寧瓦房店 116300）

1 前言

6015NR軸承在試驗后發生振動和噪聲增大的現象，對軸承進行拆解發現軸承內圈偏向一側有圓周向的疲勞剝落的痕跡，對應的外圈另一側也有疲勞痕跡，初步判斷軸承使用過程中存在越肩現象。

本文以該軸承為研究對象，利用MASTA軟件進行仿真建模分析。通過對軸承內部工作面的接觸應力、軸承壽命、軸承越肩率等要素進行參數化研究，最終實現該位置軸承結構的優化設計。

2 失效特征分析

2.1 失效特征

失效軸承外觀無異常，包括內外圈表面無損傷、保持架完整和鉚釘無松脫缺損，但是轉動軸承時會有明顯的阻滯感。將軸承拆解后，發現鋼球表面無損壞，內外圈滾道有明顯剝落痕跡（如圖1），內圈滾道的工作印記嚴重偏向一側，滾道被過大的軸向力沿軸向方向向一側拉長，工作軌跡示意圖見圖2。

圖1 內外圈失效痕跡

圖2 工作軌跡示意圖

2.2 失效分析

根據失效現象初步推測，軸承受到較大的軸向力導致軸承產生較大偏載[1]，促使軸承提前失效。為了驗證上述推論，下面將使用MASTA軟件進行理論分析，并根據結果優化設計符合使用要求的軸承。

2.3 理化檢測

初步的失效特征分析后，選取內圈、外圈和1粒鋼球，檢測其硬度和顯微組織，檢測結果見表1、圖3、圖4和圖5。根據檢測結果，軸承的內外圈和鋼球的硬度及顯微組織都符合標準規定[2]。

表1 軸承顯微組織檢測結果

圖3 外圈顯微組織和網狀碳化物組織

圖4 內圈顯微組織和網狀碳化物組織

圖5 鋼球顯微組織和網狀碳化物組織

3 優化設計思路

如圖6所示，首先根據變速箱副箱軸承的實際使用工況條件進行仿真建模，輸入相應的參數，如軸承內部的詳細參數、軸承的位置尺寸、變速箱試驗載荷譜等。

圖6 軸承優化設計流程

模型建立完成之后，計算軸承內部應力分布狀態及其對應的最大應力值，判斷最大應力是在哪個工況下產生的，對比軸承計算壽命是否滿足試驗要求壽命；然后計算各工況下軸承承受的軸向載荷；同時對軸承鋼球越肩率進行分析，判斷越肩率是否滿足使用要求。

最后，結合上述計算結果對軸承結構類型進行優化設計。

4 結構選型具體過程

本文采用仿真計算軟件MASTA對變速箱主軸后端軸承進行優化設計，該軟件是一款針對傳動系統選配、設計和開發的專用軟件。針對軸承方面的仿真計算是基于ISO281、ISO/TS16281、ISO76等標準中的理論公式進行的。其計算效率高、計算結果準確可靠，在國內外汽車、風電、軌道交通等多個行業領域得到廣泛的應用[2]。

4.1 仿真模型建立

如圖7所示，根據汽車變速箱副箱的設計輸入參數進行建模。模型建立完成后輸入軸承的試驗工況載荷譜，包括輸入軸的扭矩和轉速以及各工況時間占比，具體參數見表2。同時將軸承內部詳細參數輸入軟件中[3]，參數詳見表3。

表2 軸承試驗載荷譜

表3 軸承基本參數

圖7 MASTA 軟件建立仿真模型

4.2 軸承初步計算

仿真模型建好以后進行初步仿真計算，考慮整個模型系統變形等因素，具體計算結果如表4、表5：

表4 軸承內部接觸應力

表5 軸承壽命及越肩率

由以上計算結果可知：6015NR軸承在正、反向工況下所有鋼球都存在鋼球越肩率大于0的情況，最大越肩率更是超過了10%，（如圖8和圖9所示），這是因為軸承承受了較大的軸向力。由于深溝球軸承主要承受徑向力，可承受較小的軸向力，所以此時在軸向力的作用下6015NR軸承鋼球越肩風險會大大增加，這就導致軸承的提前失效。計算與實際相吻合。由此，主軸后端軸承的類型就不應該使用深溝球軸承，在保證外形尺寸相同的情況下，我們需要對該位置所使用的軸承進行選型優化設計。

圖8 正向工況軸承鋼球越肩率

圖9 反向工況軸承鋼球越肩率

4.3 軸承結構選型設計

結合以上計算結果，軸承選型需要滿足外形尺寸和6015NR相同，并且可承受較大軸向力。根據各類型軸承特點，選擇內圈一體式四點接觸球軸承作為優化軸承。此軸承在外部結構尺寸上和深溝球軸承相同；內部桃形溝的滾道設計保證軸承具有接觸角，可承受軸向力，且接觸角越大軸向承載能力越高。優化設計的軸承參數如表6所示：

表6 一體式四點接觸球軸承基本參數

4.4 一體式四點接觸球軸承計算結果

為驗證一體式四點接觸球軸承方案的可行性，將MASTA模型中6015NR軸承替換為新方案的一體式四點接觸球軸承，進行對比計算。計算結果如表7和表8：

表7 軸承內部接觸應力

表8 軸承壽命及越肩率

由上述結果可知：相較于6015NR軸承，選擇一體式四點接觸球軸承QJB1015NR應用于此位置時，受到的載荷雖然相同，但是后者接觸應力要明顯小于前者；而又因其可同時承受徑向負荷與軸向負荷[5]，承載能力更強，理論壽命也有明顯提升。并且優化方案中軸承鋼球越肩率為0（如圖10和圖11所示），體現出其優秀的軸向承載能力。

圖10 正向工況軸承鋼球越肩率

圖11 反向工況軸承鋼球越肩率

5 結論

綜合以上分析：

（1）軸承失效原因是受到較大的軸向載荷，而使鋼球出現嚴重的越肩情況，導致軸承提前剝落失效；

（2）將此位置的軸承替換為軸向承載力更強的一體式四點接觸球軸承后，壽命、接觸應力、鋼球越肩等都會有明顯改善，從而保證軸承正常的使用。

軸承選型的合理性會一定程度決定軸承工作的穩定性，如果軸承選型不當就可能導致其提前失效，甚至會影響整個工作系統。因此，在使用一款軸承或者其他零部件時，需要對其進行必要的理論和實際相結合的多角度分析來判斷使用的合理性，從而提高整體系統的可靠性。