為適應(yīng)這種傾向，貨車制造者們不僅要致力于最先進(jìn)的領(lǐng)域，如集成電子監(jiān)控系統(tǒng)和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，還要注意以下方面的開發(fā)和不斷改進(jìn)。今后的商業(yè)車輛的設(shè)計(jì)將碰到對(duì)節(jié)能、安全性、操作舒適性、產(chǎn)品壽命和環(huán)境舒服等日益嚴(yán)格要求。
.高的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出
.減少噪音和排污
.延長(zhǎng)使用期
.零件輕量化和減少傳動(dòng)系尺寸
.減輕駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度
.提高零件的重復(fù)利用率
Timken公司是一個(gè)設(shè)計(jì)先進(jìn)軸承裝置領(lǐng)先世界的制造商。由于它在軸承開發(fā)和改進(jìn)方面工作，幫助車輛變速箱制造者在上述諸開發(fā)領(lǐng)域建立了新的性能標(biāo)準(zhǔn)。
P900TM和最大功率系數(shù)的軸承
在性能首次提高階段，Timken引用了為特殊應(yīng)用要求設(shè)計(jì)的一種‘性能900’(P900TM)的錐形滾子軸承，該軸承在大大提高其性能的同時(shí)顯著降低了貨車變速箱的總尺寸、重量和成本。
P900軸承是利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)分析、選擇和設(shè)計(jì)技術(shù)確定的。其特點(diǎn)是軸承的關(guān)鍵零件選用超精加工組成最佳的滾動(dòng)接觸表面形狀，同時(shí)用超凈Timken鋼制造，這種鋼的非金屬雜質(zhì)的顆粒大小和數(shù)量持續(xù)15年來(lái)顯著降低，這一開發(fā)已大大提高了軸承的壽命。隨著使用狀況的日益惡化，例如車輛傳動(dòng)系中要傳遞高的扭矩，使軸產(chǎn)生大的變形和使軸承座圈產(chǎn)生大的應(yīng)力。這方面正著手用其他軸承設(shè)計(jì)來(lái)改進(jìn)。諸如用分析法予測(cè)邊緣負(fù)荷，改進(jìn)P900的軸承內(nèi)部幾何形狀，越來(lái)越詳細(xì)地規(guī)定滾動(dòng)接觸的輪廓(多輪廓)。
在第二次性能改進(jìn)階段，進(jìn)一步修正軸承內(nèi)部的幾何形狀，用電子程控精確加工支座，可允許較大地提高軸承的負(fù)荷比。圖1示兩軸承設(shè)計(jì)，一個(gè)是現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)軸承與一個(gè)改進(jìn)設(shè)計(jì)裝于同樣外殼的軸承相比較，后者承受高25%的負(fù)荷比，具有兩倍的軸承壽命。
上述兩種改進(jìn)的實(shí)現(xiàn)，可導(dǎo)致最大的功率系數(shù)或MPD(參考1)。
圖1 “功率系數(shù)”概念：負(fù)荷比增加25%，軸承壽命增加110%錐孔徑：34.925mm;外圈外徑：65.088mm防碎片輛承
在運(yùn)輸業(yè)市場(chǎng)條件內(nèi)，要求貨車化費(fèi)于運(yùn)行營(yíng)業(yè)創(chuàng)收的時(shí)間比例高，降低如維護(hù)和修理的停車時(shí)間。目前重載貨車在歐洲停車檢查和運(yùn)行間總里程約45000km。在這種情況下油污是真正重要的因素，它最通常的情況是造成傳動(dòng)系零件損壞。
當(dāng)碎片污染了潤(rùn)滑環(huán)境時(shí)，錐形滾子軸承壽命將有一定程度降低。圖2示不污染的錐形滾子軸承的疲勞壽命性能和持續(xù)受輕微或嚴(yán)重碎片影響的軸承相比較，軸承的壽命縮短最多僅0.5。但研究表明抗摩擦軸承則與錐形滾子軸承不同，在碎片污染環(huán)境下工作時(shí)，經(jīng)驗(yàn)壽命降低10倍或更多(參考2)。
圖2 不同碎片類型和在軸承壽命性能上的影響
錐形滾子軸承因其基本的設(shè)計(jì)原理，自身較其他類型軸承如球軸承和圓柱軸承更具有防碎片特性。它的錐形幾何形狀因確保的潤(rùn)滑泵油作用而可不斷自我清除碎片(圖3)。
球軸承擋住和保留碎片
圖3 錐形滾子軸承的潤(rùn)滑泵油作用不斷自我清除碎片
此外，在現(xiàn)代微觀彈流(EHL)和摩擦學(xué)(參考5)的先進(jìn)研究領(lǐng)域指出，純滾動(dòng)接觸的優(yōu)點(diǎn)。如僅在錐形滾子軸承的滾道上，附加在凸凹不平處、沖撞、壓痕和擦痕處的彈流壓力峰值最小。
試驗(yàn)還著重指出Timken錐形滾子軸承造成的抗碎片的負(fù)效應(yīng)，它好于一般軸承制造商的滲碳鋼，甚至是外圈、錐體和滾子整體淬硬鋼的軸承?？煽氐囊欢〝?shù)量的殘留奧氏體最適宜的碳鋼表面硬化和提高表面韌性，從而導(dǎo)致最好的滾動(dòng)接觸疲勞性能。
同時(shí)還清楚地證明，含有高的殘留奧氏體的Timken軸承，在具有或不具有碎片影響下，都能增進(jìn)抗疲勞性能。許多驅(qū)動(dòng)橋制造商目前所進(jìn)行的試驗(yàn)也支持了這個(gè)論證。Timken軸承優(yōu)于其他競(jìng)爭(zhēng)者的產(chǎn)品和錐形滾子軸承制造商的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，甚至是為抗碎片而專門開發(fā)的競(jìng)爭(zhēng)者的最佳產(chǎn)品(圖4)(參考5)。
圖4 帶含雜質(zhì)潤(rùn)滑油軸承疲勞壽命性能的比較
圖5 錐形滾子軸承
A-E軸承是由競(jìng)爭(zhēng)者制造的，A和B商品化軸承；C、D和E是改進(jìn)抗碎片的試驗(yàn)開發(fā)的軸承；Timken軸承是用于研究的商品化Timken錐形滾子軸承。(資料摘自Honda研究與開發(fā)周報(bào)Vol.5(1993)“自動(dòng)變速箱中含雜質(zhì)油和軸承材料對(duì)軸承壽命的影響”)
Timken比其競(jìng)爭(zhēng)者早在70年以前或更早就集中注意到潤(rùn)滑油污染的影響?；诖罅吭囼?yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，該公司能夠予測(cè)碎片對(duì)軸承性能的影響(參考3)。尤其重要的是通過(guò)采用先進(jìn)的計(jì)算工具，可有助考慮所有危險(xiǎn)的周圍因素如負(fù)荷、承載區(qū)、潤(rùn)滑和速度、不對(duì)中以及碎污染等，設(shè)計(jì)出最好的變速箱軸承。
熱補(bǔ)償軸承
車輛變速箱已經(jīng)注意采用鋁合金箱體以大大減輕重量。為適應(yīng)在現(xiàn)代貨車變速箱中要求穩(wěn)定的高的比功率的情況下，錐形滾子軸承有助于成功地使齒輪箱的尺寸和重量全面減低。這是由于錐形滾子軸承可提供比其他類型軸承高的比功率。
鋁合金的線熱膨脹系數(shù)是鋼軸和軸承的兩倍，這種差值結(jié)果造成軸承的原始安裝位置隨溫度變化和異。在軸承安裝位置上的最大熱影響是軸和箱體間的延伸率的差值。因?yàn)檩S承座圈隨溫度升高而松弛，隨溫度下降而收緊，故軸承外圈應(yīng)采用可調(diào)裝配(圖6)。
圖6 在-5擋手動(dòng)驅(qū)動(dòng)橋輸入軸的軸承安裝：具有熱補(bǔ)的軸承和不帶熱補(bǔ)償?shù)妮S承的比較
對(duì)于鋁合金箱體變速箱，在所有工作/溫度條件下，為能夠保持相同的軸承安裝位置(圖6)，以及改進(jìn)變速箱性能，降低噪音污染和增加駕駛員的舒適性，應(yīng)開發(fā)一種軸承裝置，Timken熱補(bǔ)償TCTM錐形滾子軸承外圈加套上一個(gè)熱膨脹系數(shù)高于鋼或鋁好多倍的高彈性圈，該高彈性圈可補(bǔ)償鋼軸承和軸的膨脹和收縮的差值，并可使軸承在所有溫度范圍安裝位置確定不變。
通過(guò)采用TCTM軸承使軸承安裝位置可精確控制，從而使軸承性能的改進(jìn)和變速箱內(nèi)軸承尺寸減小具有可能性，變速箱的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)也表明了TCTM軸承因換檔力減小和噪音降低(參考4)而提高了駕駛員的舒適性。
抗摩擦腐蝕軸承
對(duì)于商用車輛的許多變速箱設(shè)計(jì)裝有所謂并裝惰輪的第二常速齒輪，該齒輪一般裝有兩個(gè)錐形滾子軸承，以便達(dá)到最佳傳動(dòng)的穩(wěn)定性。
但在某一定的時(shí)間內(nèi)，在該負(fù)荷循環(huán)下，這些軸承不再執(zhí)行一個(gè)正常的摩擦功能，這意味著其內(nèi)圈與外圈有一個(gè)速度差。當(dāng)在該內(nèi)圈與外圈的速度差為零的那一時(shí)刻，造成油膜厚度不再確保，使支承圈產(chǎn)生金屬與金屬接觸，由于不完全潤(rùn)滑而產(chǎn)生摩擦腐蝕。
與許多貨車制造商合作，Timken進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)去了解這種現(xiàn)象和開發(fā)防止這種失效的解決辦法。到目前為止，研究已經(jīng)表明，采用強(qiáng)迫滾子慢轉(zhuǎn)可改進(jìn)軸承的這種性能，這點(diǎn)可以用幾何修正軸承內(nèi)邊來(lái)實(shí)現(xiàn)。隨滾子座圈轉(zhuǎn)動(dòng)，滾子被適當(dāng)潤(rùn)滑，從而防止了摩擦腐蝕。
采用非線性有限元分析予測(cè)軸承性能
Timken已經(jīng)開發(fā)了一種先進(jìn)的非線性有限元分析法(F.E.A)，采用它不僅能予測(cè)變速箱軸承的性能，而且還同樣可予測(cè)齒輪和箱體的性能(參考6)。
本文每個(gè)軸承用二個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)表示，用來(lái)分別模擬錐體和外圈的移動(dòng)矢量bjtbn5v。
對(duì)于每個(gè)節(jié)點(diǎn)采用5個(gè)移動(dòng)分量(3個(gè)位移和2個(gè)轉(zhuǎn)角)，去計(jì)算最終的赫茨(Hertzian)變形和滾子上的負(fù)荷。采用加于各滾子上的載荷分量，確定最終的受力矢量{}(3個(gè)力和2個(gè)力矩)。因?yàn)槭茌d滾子數(shù)隨載荷大小而變以及滾子座圈的赫茨接觸區(qū)是非線性的，所以力矢量{}和移動(dòng)矢量h9nzfh9之間關(guān)系是非線性的。
此外，5個(gè)移動(dòng)間存在一個(gè)有效的聯(lián)系，即例如錐體轉(zhuǎn)角的變化，或錐體的軸向位移將影響錐體上的最終徑向負(fù)荷。
為用戶在其有限元方法內(nèi)樂意采用軸承單元的一個(gè)新的、極好的分析關(guān)系式已經(jīng)開發(fā)出來(lái)了，用戶可以用該非線性有限元分析式編制程序，對(duì)于每個(gè)軸承已給定出三個(gè)Timken參量C1、C2和C3，所以用戶可寫出一簡(jiǎn)單的關(guān)系式。
也可提供一個(gè)簡(jiǎn)單化線性化的軸承剛度，使用戶可采用一個(gè)線性的有限元分析關(guān)系式，相同的錐體節(jié)點(diǎn)和外圈節(jié)點(diǎn)分別作為一個(gè)軸和箱體的節(jié)點(diǎn)。軸習(xí)慣用B24F單元描述的，而箱體剛度用戶通常采用不同單元和許多節(jié)點(diǎn)來(lái)計(jì)算，對(duì)于一個(gè)變速箱箱體的網(wǎng)格需要10000至20000個(gè)節(jié)點(diǎn)。
舉例，如采用6個(gè)外圈，Timken要求增加大的箱體網(wǎng)格，轉(zhuǎn)軸上6個(gè)節(jié)點(diǎn)，用徑向桿連接這些節(jié)點(diǎn)至箱體周圍，該最終的箱體網(wǎng)格因而包含6個(gè)外圈節(jié)點(diǎn)。最后，要用戶僅采用這些6個(gè)外圈節(jié)點(diǎn)確定分析箱體剛度矩陣。在本例中是一個(gè)全體矩陣，特征36×36行和列(6節(jié)×6個(gè)自由度)或1296個(gè)剛度項(xiàng)值。
因此，通過(guò)該箱體還考慮到所有6個(gè)移動(dòng)和各外圈向的聯(lián)系，這就允許在變速箱內(nèi)三根軸同時(shí)被考慮。例如，在一外圈上的軸間力將造成箱體轉(zhuǎn)動(dòng)，因而相同外圈的轉(zhuǎn)動(dòng)和所有其他外圈上5個(gè)移動(dòng)。
事實(shí)上三根軸和箱體剛度可以同時(shí)考慮是重要的，因該運(yùn)動(dòng)和各齒輪的相對(duì)運(yùn)動(dòng)許可精確計(jì)算，有關(guān)齒輪相對(duì)不對(duì)中的危險(xiǎn)數(shù)據(jù)是使用戶共同關(guān)注齒輪齒形修正和降低噪音。
圖7a和7b是簡(jiǎn)化的系統(tǒng)變形(軸和軸承)實(shí)例，在實(shí)際三軸位于的空間把三軸繪于相同的軸線上。圖7a示箱體剛度用簡(jiǎn)化的軸向彈簧(徑向和傾轉(zhuǎn)剛度是不定的)來(lái)描述，而圖7b已用全體箱體剛度矩陣計(jì)算，注意由于有限箱體剛度和軸和齒輪的變形使外圈移動(dòng)大了5倍。
圖7a 采用簡(jiǎn)化箱體獨(dú)立軸向彈簧(不定徑向和傾轉(zhuǎn)箱體彈簧)計(jì)算軸變形和軸承負(fù)荷
圖7b 采用全體箱體剛度計(jì)算軸變形和軸承負(fù)荷
圖8a 具有多支承軸承布置的變速箱
圖8b 圖8a示變速箱已假定固定的徑向和傾轉(zhuǎn)箱體剛度
圖8a和8b示一個(gè)帶有多支承軸承布置的變速箱，這里已計(jì)入固定的徑向和傾轉(zhuǎn)箱體剛度。
對(duì)于用戶所關(guān)注的予測(cè)接近各外圈的箱體應(yīng)力或箱體網(wǎng)格保有20000節(jié)點(diǎn)的位移，Timken可提供一個(gè)在外圈和箱體，接觸點(diǎn)三維負(fù)荷分布的磁盤。
為了較好地予測(cè)變速箱軸承、齒輪和箱體性能，其他許多特殊的性質(zhì)已包括于Timken非線性有限元分析研究中。例如：
.徑向和軸向熱補(bǔ)償對(duì)最終軸承安裝位置的影響。
.伸縮式元件、帶槽元件、墊片、墊片間隙和可換彈簧。
.滾子/座圈非赫茨應(yīng)力分布和潤(rùn)滑油膜厚度。
Timken還提供了描述非線性有限元分析法則非圓幾何學(xué)的方案，即由于予定箱體或軸橢圓度或作為特殊的滾子/座圈負(fù)載分布的結(jié)果，以便重新計(jì)算滾子/座圈載荷分布和確定最后的軸承壽命。
（轉(zhuǎn)載）
