為適應這種傾向，貨車制造者們不僅要致力于最先進的領域，如集成電子監(jiān)控系統(tǒng)和衛(wèi)星導航系統(tǒng)，還要注意以下方面的開發(fā)和不斷改進。今后的商業(yè)車輛的設計將碰到對節(jié)能、安全性、操作舒適性、產(chǎn)品壽命和環(huán)境舒服等日益嚴格要求。
.高的發(fā)動機輸出
.減少噪音和排污
.延長使用期
.零件輕量化和減少傳動系尺寸
.減輕駕駛員的勞動強度
.提高零件的重復利用率
Timken公司是一個設計先進軸承裝置領先世界的制造商。由于它在軸承開發(fā)和改進方面工作，幫助車輛變速箱制造者在上述諸開發(fā)領域建立了新的性能標準。
P900TM和最大功率系數(shù)的軸承
在性能首次提高階段，Timken引用了為特殊應用要求設計的一種‘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軸承是利用先進的計算機分析、選擇和設計技術確定的。其特點是軸承的關鍵零件選用超精加工組成最佳的滾動接觸表面形狀，同時用超凈Timken鋼制造，這種鋼的非金屬雜質的顆粒大小和數(shù)量持續(xù)15年來顯著降低，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)生大的應力。這方面正著手用其他軸承設計來改進。諸如用分析法予測邊緣負荷，改進P900的軸承內(nèi)部幾何形狀，越來越詳細地規(guī)定滾動接觸的輪廓(多輪廓)。
在第二次性能改進階段，進一步修正軸承內(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荷比。圖1示兩軸承設計，一個是現(xiàn)代標準軸承與一個改進設計裝于同樣外殼的軸承相比較，后者承受高25%的負荷比，具有兩倍的軸承壽命。
上述兩種改進的實現(xiàn)，可導致最大的功率系數(shù)或MPD(參考1)。
圖1 “功率系數(shù)”概念：負荷比增加25%，軸承壽命增加110%錐孔徑：34.925mm;外圈外徑：65.088mm防碎片輛承
在運輸業(yè)市場條件內(nèi)，要求貨車化費于運行營業(yè)創(chuàng)收的時間比例高，降低如維護和修理的停車時間。目前重載貨車在歐洲停車檢查和運行間總里程約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系零件損壞。
當碎片污染了潤滑環(huán)境時，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，經(jīng)驗壽命降低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計原理，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(參考5)的先進研究領域指出，純滾動接觸的優(yōu)點。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。
試驗還著重指出Timken錐形滾子軸承造成的抗碎片的負效應，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。可控的一定數(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，從而導致最好的滾動接觸疲勞性能。
同時還清楚地證明，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，都能增進抗疲勞性能。許多驅動橋制造商目前所進行的試驗也支持了這個論證。Timken軸承優(yōu)于其他競爭者的產(chǎn)品和錐形滾子軸承制造商的標準產(chǎn)品，甚至是為抗碎片而專門開發(fā)的競爭者的最佳產(chǎn)品(圖4)(參考5)。
圖4 帶含雜質潤滑油軸承疲勞壽命性能的比較
圖5 錐形滾子軸承
A-E軸承是由競爭者制造的，A和B商品化軸承；C、D和E是改進抗碎片的試驗開發(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Vol.5(1993)“自動變速箱中含雜質油和軸承材料對軸承壽命的影響”)
Timken比其競爭者早在70年以前或更早就集中注意到潤滑油污染的影響?；诖罅吭囼灁?shù)據(jù)和經(jīng)驗數(shù)據(jù)，該公司能夠予測碎片對軸承性能的影響(參考3)。尤其重要的是通過采用先進的計算工具，可有助考慮所有危險的周圍因素如負荷、承載區(qū)、潤滑和速度、不對中以及碎污染等，設計出最好的變速箱軸承。
熱補償軸承
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。因為軸承座圈隨溫度升高而松弛，隨溫度下降而收緊，故軸承外圈應采用可調裝配(圖6)。
圖6 在-5擋手動驅動橋輸入軸的軸承安裝：具有熱補的軸承和不帶熱補償?shù)妮S承的比較
對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)，以及改進變速箱性能，降低噪音污染和增加駕駛員的舒適性，應開發(fā)一種軸承裝置，Timken熱補償TCTM錐形滾子軸承外圈加套上一個熱膨脹系數(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和變速箱內(nèi)軸承尺寸減小具有可能性，變速箱的動態(tài)試驗也表明了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
對于商用車輛的許多變速箱設計裝有所謂并裝惰輪的第二常速齒輪，該齒輪一般裝有兩個錐形滾子軸承，以便達到最佳傳動的穩(wěn)定性。
但在某一定的時間內(nèi)，在該負荷循環(huán)下，這些軸承不再執(zhí)行一個正常的摩擦功能，這意味著其內(nèi)圈與外圈有一個速度差。當在該內(nèi)圈與外圈的速度差為零的那一時刻，造成油膜厚度不再確保，使支承圈產(chǎn)生金屬與金屬接觸，由于不完全潤滑而產(chǎn)生摩擦腐蝕。
與許多貨車制造商合作，Timken進行了一系列的試驗去了解這種現(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，采用強迫滾子慢轉可改進軸承的這種性能，這點可以用幾何修正軸承內(nèi)邊來實現(xiàn)。隨滾子座圈轉動，滾子被適當潤滑，從而防止了摩擦腐蝕。
采用非線性有限元分析予測軸承性能
Timken已經(jīng)開發(fā)了一種先進的非線性有限元分析法(F.E.A)，采用它不僅能予測變速箱軸承的性能，而且還同樣可予測齒輪和箱體的性能(參考6)。
本文每個軸承用二個節(jié)點來表示，用來分別模擬錐體和外圈的移動矢量snpj1kk。
對于每個節(jié)點采用5個移動分量(3個位移和2個轉角)，去計算最終的赫茨(Hertzian)變形和滾子上的負荷。采用加于各滾子上的載荷分量，確定最終的受力矢量{}(3個力和2個力矩)。因為受載滾子數(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{}和移動矢量xya2iak之間關系是非線性的。
此外，5個移動間存在一個有效的聯(lián)系，即例如錐體轉角的變化，或錐體的軸向位移將影響錐體上的最終徑向負荷。
為用戶在其有限元方法內(nèi)樂意采用軸承單元的一個新的、極好的分析關系式已經(jīng)開發(fā)出來了，用戶可以用該非線性有限元分析式編制程序，對于每個軸承已給定出三個Timken參量C1、C2和C3，所以用戶可寫出一簡單的關系式。
也可提供一個簡單化線性化的軸承剛度，使用戶可采用一個線性的有限元分析關系式，相同的錐體節(jié)點和外圈節(jié)點分別作為一個軸和箱體的節(jié)點。軸習慣用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)點來計算，對于一個變速箱箱體的網(wǎng)格需要10000至20000個節(jié)點。
舉例，如采用6個外圈，Timken要求增加大的箱體網(wǎng)格，轉軸上6個節(jié)點，用徑向桿連接這些節(jié)點至箱體周圍，該最終的箱體網(wǎng)格因而包含6個外圈節(jié)點。最后，要用戶僅采用這些6個外圈節(jié)點確定分析箱體剛度矩陣。在本例中是一個全體矩陣，特征36×36行和列(6節(jié)×6個自由度)或1296個剛度項值。
因此，通過該箱體還考慮到所有6個移動和各外圈向的聯(lián)系，這就允許在變速箱內(nèi)三根軸同時被考慮。例如，在一外圈上的軸間力將造成箱體轉動，因而相同外圈的轉動和所有其他外圈上5個移動。
事實上三根軸和箱體剛度可以同時考慮是重要的，因該運動和各齒輪的相對運動許可精確計算，有關齒輪相對不對中的危險數(shù)據(jù)是使用戶共同關注齒輪齒形修正和降低噪音。
圖7a和7b是簡化的系統(tǒng)變形(軸和軸承)實例，在實際三軸位于的空間把三軸繪于相同的軸線上。圖7a示箱體剛度用簡化的軸向彈簧(徑向和傾轉剛度是不定的)來描述，而圖7b已用全體箱體剛度矩陣計算，注意由于有限箱體剛度和軸和齒輪的變形使外圈移動大了5倍。
圖7a 采用簡化箱體獨立軸向彈簧(不定徑向和傾轉箱體彈簧)計算軸變形和軸承負荷
圖7b 采用全體箱體剛度計算軸變形和軸承負荷
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箱體剛度
圖8a和8b示一個帶有多支承軸承布置的變速箱，這里已計入固定的徑向和傾轉箱體剛度。
對于用戶所關注的予測接近各外圈的箱體應力或箱體網(wǎng)格保有20000節(jié)點的位移，Timken可提供一個在外圈和箱體，接觸點三維負荷分布的磁盤。
為了較好地予測變速箱軸承、齒輪和箱體性能，其他許多特殊的性質已包括于Timken非線性有限元分析研究中。例如：
.徑向和軸向熱補償對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/座圈非赫茨應力分布和潤滑油膜厚度。
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/座圈負載分布的結果，以便重新計算滾子/座圈載荷分布和確定最后的軸承壽命。
（轉載）
