杨冠男
黑龙江省哈尔滨轴承集团公司 黑龙江省哈尔滨市150030
摘要：滚动轴承是机械行业中通用的旋转基础件之一，是汽车变速器的重要承载单元，其运转性能的好坏直接影响整车的性能。滚动轴承工作条件非常恶劣，高转速、大负荷和润滑不良等加剧了轴承的破坏。汽车变速器的噪声及过早破坏多是由于滚动轴承的失效导致的。滚动轴承的主要失效形式疲劳点蚀、剥落、压溃、胶合等都与轴承接触有关。因此，研究滚珠与滚道的真实接触情况对于研究轴承的失效具有重要意义。
关键词：深沟球轴承非赫兹接触；失效机理；
前言：滚珠与外滚道的接触有两个非赫兹接触特性，除了协调接触影响外，轴承钢的真实材料本构为弹塑性，当载荷超过材料屈服极限时，材料应力应变呈现非线性关系。弹性本构模型已经不能描述该情况下的接触特性，目前也很难用理论公式进行轴承三维接触塑性区的求解。
一、深沟球轴承非赫兹接触分析
滚珠与外滚道的接触有两个非赫兹接触特性，第一是协调接触，第二是轴承钢的真实材料本构为弹塑性，当载荷超过材料屈服极限时，材料应力应变呈现非线性关系，弹性本构模型已经不能描述该情况下的接触特性，目前也很难用成熟理论公式求解滚珠与外滚道三维复杂几何的协调接触在塑性区的接触特性。因此，拟同时考虑滚珠的径向载荷与轴向载荷，用弹塑性本构模型来分析获取滚珠与外滚道的真实接触情况，并分析弹性与弹塑性本构模型导致计算结果的差异。为更深入了解塑性区的接触特性，拟分析不同过载工况下滚珠与外滚道的主要接触参数的差异。同时，拟结合涂层与接触疲劳损伤理论，分析轴承提前失效机理。为了分析滚珠与外滚道的瞬态特性，拟进行滚珠与外滚道的瞬态接触仿真分析初步探索。从扭矩传递路径可以确定承载的主要齿轮，对于其它档位的空套齿轮，由于其分担的扭矩较小，可忽略不计。在分析中考虑重力影响，因此，在模型简化时，这些空套齿轮与同步器宏观的结构特征都保留，简化一些对结果影响不大的倒角及孔洞。在进行变速器轴系、齿轮、同步器的几何模型简化过程中，同步器的简化比较复杂，因为同步器的工作原理导致其几何面穿错夹杂，摩擦面也较多。由于本次分析主要目的是获取支撑轴承外载荷，不十分关注同步器等的传力细节，最后主要从其传力路径进行简化，将同步器一端与轴连为一体，另一端与相应档位齿轮连为一体。轴系在简化过程中，去除一些小倒角，为了后续将轴用结构化网格进行离散做准备。由于齿轮的啮合力载荷计算中是基于分度圆直径，因此，对齿轮进行简化时，剔除轮齿，按照分度圆直径大小，将齿轮简化成圆盘状，忽略对结果影响不大的倒角圆角。滚珠的载荷分布是轴承最重要的工作特性之一，其影响运转精度和承载能力。利用有限元方法，考虑径向与轴向载荷、游隙、保持架调心作用、轴承各部件弹性及重力影响，建立了承载最严重深沟球轴承的有限元模型，获取了极限工况下，滚珠与外滚道的接触载荷，为后续分析提供了载荷边界条件。在此基础上，分析了相同载荷角，不同外载荷作用下，径向与轴向载荷在各滚珠的分配规律。赫兹接触理论广泛应用于点、线等高副接触分析中。该理论认为在外载荷的作用下，两接触物体先以点或线的形式开始接触。随着载荷增加，将在接触点附近区域产生接触变形，形成一个接触区。在大多数研究中，为了简化计算，也直接将赫兹理论用于球轴承中滚珠与滚道的接触计算。在分析过程中认为，由于滚道在相互垂直两个方向的曲率不同，而滚珠在相互垂直两个方向的曲率一样，接触区将呈椭圆形。
二、轴承失效机理分析
1.载荷加载结束并稳定后，具有较高几何协调性的轴向对称截面中的压力等值面的分布与具有较低几何协调性的周向对称截面明显不同，后者非常接近于赫兹接触理论预测的结果。滚珠和外滚道接触区域是接触压力呈椭圆分布的长条。由于轴向载荷的作用，接触中心偏离了滚珠和外滚道的外表面中心。在加载完成后的稳定时刻，偏移角度分别滚珠接触中心偏移角度大于外滚道。而载荷矢量与滚珠径向的夹角约可见由于轴承游隙以及接触协调变形的存在，接触中心偏移角度将远大于载荷偏角。在接触表面下一定深度等效应力最大。根据范式屈服准则，这一区域将率先发生屈服。在变速器运转过程中，轴承高速旋转，由于载荷过大引起的应力超过材料屈服由于几何协调性较高，等效应力分布呈现细长条状，区别于赫兹接触。如果轴承曲率半径系数小于临界值0．54，则赫兹理论的计算精度将被几何协调影响而变坏。轴承的曲率半径系娄因此，在几何协调作用的影响下，等效应力分布必然区别于赫兹接触解，仿真结果显示的规律正是如此，这也从侧面说明了仿真结果的正确性。接触区面积则表现为滚珠始终略大于外滚道，而滚珠的应力深度也始终大于外滚道，因此，滚珠的承载体积将始终大于外滚道，这就是外滚道等效应力高于滚珠的重要原因。滚珠最大剪切应力与最大等效应力在各个时刻基本出现在同一深度，之后最大剪切应力位置移动到了接触表面，最大等效应力深度不变。外滚道内部与表面萌生的裂纹相互贯通，形成了裂缝。这里还反映出另一条规律：受压材料不发生屈服时，其最大等效应力深度与最大剪应力深度应该保持一致。
2.外滚道次表面最大等效应力超过了材料屈服强度，在载荷稳定后仍超过材料屈服强度3％。滚珠次表面等效应力则始终没有超过材料屈服强度。另外，滚珠接触表面最大等效应力也没有超过材料屈服强度，而外滚道接触表面最大等效应力超过了材料屈服强度。由此可见，本文分析的轴承将在外滚道次表面最大等效应力位置发生屈服并萌生裂纹。随后，在滚珠和滚道连续滚动效应作用下，内部裂纹逐渐向表面扩展。外滚道内部裂纹与外滚道表面萌生的裂纹相贯通，形成裂缝，造成外滚道的损坏，此时滚珠处于弹性变形阶段。外滚道产生裂缝后，润滑油会浸入裂缝中，在流体动压与轴承运转的交变载荷作用下，一部分材料将脱离外滚道基体，形成点蚀、剥落。随后，这部分脱落的材料将充当磨粒作用，随轴承的运转，刺破油膜划伤滚珠与内滚道，造成滚珠与内滚道的损坏，最终损坏整个轴承。该理论认为疲劳裂纹开始于接触次表面下平行于滚动方向的最大交变剪切应力所作用的区域内的材料薄弱点，并逐渐扩展到表面，产生疲劳剥落，材料承载体积的生存概率与应力循环次数、最大剪应力峰值、最大剪应力峰值出现的接触深度有关。能够反映轴承真实接触状态。值得注意的是，虽然滚珠接触压力远大于外滚道，但在几何协调作用下，最大等效应力与剪切应力极限值却始终小于外滚道。这说明虽然滚珠曲率半径更小，但并不存在应力集中。在载荷作用下，滚珠、外滚道产生变形，它们之间的接触很快便由一点变成一个曲面，压缩载荷从接触面各处完成传递，这就是几何协调作用。
结束语：对滚珠与外滚道的接触，采用弹塑性本构模型进行有限元分析，所得到的轴承滚珠及滚道次表面的应力、应变结果，以及最大剪应力/应变、最大等效应力/应变等参数出现的深度及数值大小等，更加合理，特别是对于重载轴承，其分析结果对轴承的表面处理设计及接触疲劳寿命计算等更具有指导意义。
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