[摘要]本文作者注意到不同的强化可以提高货车变速箱的锥形滚子轴承的性能，结果有助于这些齿轮箱满足制造者和操作者对延长使用寿命和消除噪音，车辆运行更经济等较高的期望。这些强化包括如下P900TM的设计原理和最大的功率系数；抗碎片污染；温度补偿和摩擦腐蚀等。本文还注意到应用改进轴承的优点，用非线性有限元分析去设计货车变速箱。
关键词：锥形滚子轴承 非线性有限元分析 使用寿命 摩擦腐蚀 热补偿
今后的商业车辆的设计将碰到对节能、安全性、操作舒适性、产品寿命和环境舒服等日益严格要求。为适应这种倾向，货车制造者们不仅要致力于最先进的领域，如集成电子监控系统和卫星导航系统，还要注意以下方面的开发和不断改进。
.高的发动机输出
.减少噪音和排污
.延长使用期
.零件轻量化和减少传动系尺寸
.减轻驾驶员的劳动强度
.提高零件的重复利用率
Timken公司是一个设计先进轴承装置领先世界的制造商。由于它在轴承开发和改进方面工作，帮助车辆变速箱制造者在上述诸开发领域建立了新的性能标准。
P900TM和最大功率系数的轴承
在性能首次提高阶段，Timken引用了为特殊应用要求设计的一种‘性能900’(P900TM)的锥形滚子轴承，该轴承在大大提高其性能的同时显著降低了货车变速箱的总尺寸、重量和成本。
P900轴承是利用先进的计算机分析、选择和设计技术确定的。其特点是轴承的关键零件选用超精加工组成最佳的滚动接触表面形状，同时用超净Timken钢制造，这种钢的非金属杂质的颗粒大小和数量持续15年来显著降低，这一开发已大大提高了轴承的寿命。随着使用状况的日益恶化，例如车辆传动系中要传递高的扭矩，使轴产生大的变形和使轴承座圈产生大的应力。这方面正着手用其他轴承设计来改进。诸如用分析法予测边缘负荷，改进P900的轴承内部几何形状，越来越详细地规定滚动接触的轮廓(多轮廓)。
在第二次性能改进阶段，进一步修正轴承内部的几何形状，用电子程控精确加工支座，可允许较大地提高轴承的负荷比。图1示两轴承设计，一个是现代标准轴承与一个改进设计装于同样外壳的轴承相比较，后者承受高25%的负荷比，具有两倍的轴承寿命。
上述两种改进的实现，可导致最大的功率系数或MPD(参考1)。 
图1 “功率系数”概念：负荷比增加25%，轴承寿命增加110%锥孔径：34.925mm;外圈外径：65.088mm防碎片辆承
在运输业市场条件内，要求货车化费于运行营业创收的时间比例高，降低如维护和修理的停车时间。目前重载货车在欧洲停车检查和运行间总里程约45000km。在这种情况下油污是真正重要的因素，它最通常的情况是造成传动系零件损坏。
当碎片污染了润滑环境时，锥形滚子轴承寿命将有一定程度降低。图2示不污染的锥形滚子轴承的疲劳寿命性能和持续受轻微或严重碎片影响的轴承相比较，轴承的寿命缩短最多仅0.5。但研究表明抗摩擦轴承则与锥形滚子轴承不同，在碎片污染环境下工作时，经验寿命降低10倍或更多(参考2)。
图2 不同碎片类型和在轴承寿命性能上的影响
锥形滚子轴承因其基本的设计原理，自身较其他类型轴承如球轴承和圆柱轴承更具有防碎片特性。它的锥形几何形状因确保的润滑泵油作用而可不断自我清除碎片(图3)。
球轴承挡住和保留碎片
图3 锥形滚子轴承的润滑泵油作用不断自我清除碎片
此外，在现代微观弹流(EHL)和摩擦学(参考5)的先进研究领域指出，纯滚动接触的优点。如仅在锥形滚子轴承的滚道上，附加在凸凹不平处、冲撞、压痕和擦痕处的弹流压力峰值最小。
试验还着重指出Timken锥形滚子轴承造成的抗碎片的负效应，它好于一般轴承制造商的渗碳钢，甚至是外圈、锥体和滚子整体淬硬钢的轴承。可控的一定数量的残留奥氏体最适宜的碳钢表面硬化和提高表面韧性，从而导致最好的滚动接触疲劳性能。
同时还清楚地证明，含有高的残留奥氏体的Timken轴承，在具有或不具有碎片影响下，都能增进抗疲劳性能。许多驱动桥制造商目前所进行的试验也支持了这个论证。Timken轴承优于其他竞争者的产品和锥形滚子轴承制造商的标准产品，甚至是为抗碎片而专门开发的竞争者的最佳产品(图4)(参考5)。
图4 带含杂质润滑油轴承疲劳寿命性能的比较
图5 锥形滚子轴承
A-E轴承是由竞争者制造的，A和B商品化轴承；C、D和E是改进抗碎片的试验开发的轴承；Timken轴承是用于研究的商品化Timken锥形滚子轴承。(资料摘自Honda研究与开发周报Vol.5(1993)“自动变速箱中含杂质油和轴承材料对轴承寿命的影响”)
Timken比其竞争者早在70年以前或更早就集中注意到润滑油污染的影响。基于大量试验数据和经验数据，该公司能够予测碎片对轴承性能的影响(参考3)。尤其重要的是通过采用先进的计算工具，可有助考虑所有危险的周围因素如负荷、承载区、润滑和速度、不对中以及碎污染等，设计出最好的变速箱轴承。
热补偿轴承
车辆变速箱已经注意采用铝合金箱体以大大减轻重量。为适应在现代货车变速箱中要求稳定的高的比功率的情况下，锥形滚子轴承有助于成功地使齿轮箱的尺寸和重量全面减低。这是由于锥形滚子轴承可提供比其他类型轴承高的比功率。
铝合金的线热膨胀系数是钢轴和轴承的两倍，这种差值结果造成轴承的原始安装位置随温度变化和异。在轴承安装位置上的最大热影响是轴和箱体间的延伸率的差值。因为轴承座圈随温度升高而松弛，随温度下降而收紧，故轴承外圈应采用可调装配(图6)。
图6 在-5挡手动驱动桥输入轴的轴承安装：具有热补的轴承和不带热补偿的轴承的比较
对于铝合金箱体变速箱，在所有工作/温度条件下，为能够保持相同的轴承安装位置(图6)，以及改进变速箱性能，降低噪音污染和增加驾驶员的舒适性，应开发一种轴承装置，Timken热补偿TCTM锥形滚子轴承外圈加套上一个热膨胀系数高于钢或铝好多倍的高弹性圈，该高弹性圈可补偿钢轴承和轴的膨胀和收缩的差值，并可使轴承在所有温度范围安装位置确定不变。
通过采用TCTM轴承使轴承安装位置可精确控制，从而使轴承性能的改进和变速箱内轴承尺寸减小具有可能性，变速箱的动态试验也表明了TCTM轴承因换档力减小和噪音降低(参考4)而提高了驾驶员的舒适性。
抗摩擦腐蚀轴承
对于商用车辆的许多变速箱设计装有所谓并装惰轮的第二常速齿轮，该齿轮一般装有两个锥形滚子轴承，以便达到最佳传动的稳定性。
但在某一定的时间内，在该负荷循环下，这些轴承不再执行一个正常的摩擦功能，这意味着其内圈与外圈有一个速度差。当在该内圈与外圈的速度差为零的那一时刻，造成油膜厚度不再确保，使支承圈产生金属与金属接触，由于不完全润滑而产生摩擦腐蚀。
与许多货车制造商合作，Timken进行了一系列的试验去了解这种现象和开发防止这种失效的解决办法。到目前为止，研究已经表明，采用强迫滚子慢转可改进轴承的这种性能，这点可以用几何修正轴承内边来实现。随滚子座圈转动，滚子被适当润滑，从而防止了摩擦腐蚀。
采用非线性有限元分析予测轴承性能
Timken已经开发了一种先进的非线性有限元分析法(F.E.A)，采用它不仅能予测变速箱轴承的性能，而且还同样可予测齿轮和箱体的性能(参考6)。
本文每个轴承用二个节点来表示，用来分别模拟锥体和外圈的移动矢量{d}。
对于每个节点采用5个移动分量(3个位移和2个转角)，去计算最终的赫茨(Hertzian)变形和滚子上的负荷。采用加于各滚子上的载荷分量，确定最终的受力矢量{}(3个力和2个力矩)。因为受载滚子数随载荷大小而变以及滚子座圈的赫茨接触区是非线性的，所以力矢量{}和移动矢量{d}之间关系是非线性的。
此外，5个移动间存在一个有效的联系，即例如锥体转角的变化，或锥体的轴向位移将影响锥体上的最终径向负荷。
为用户在其有限元方法内乐意采用轴承单元的一个新的、极好的分析关系式已经开发出来了，用户可以用该非线性有限元分析式编制程序，对于每个轴承已给定出三个Timken参量C1、C2和C3，所以用户可写出一简单的关系式。
也可提供一个简单化线性化的轴承刚度，使用户可采用一个线性的有限元分析关系式，相同的锥体节点和外圈节点分别作为一个轴和箱体的节点。轴习惯用B24F单元描述的，而箱体刚度用户通常采用不同单元和许多节点来计算，对于一个变速箱箱体的网格需要10000至20000个节点。
举例，如采用6个外圈，Timken要求增加大的箱体网格，转轴上6个节点，用径向杆连接这些节点至箱体周围，该最终的箱体网格因而包含6个外圈节点。最后，要用户仅采用这些6个外圈节点确定分析箱体刚度矩阵。在本例中是一个全体矩阵，特征36×36行和列(6节×6个自由度)或1296个刚度项值。
因此，通过该箱体还考虑到所有6个移动和各外圈向的联系，这就允许在变速箱内三根轴同时被考虑。例如，在一外圈上的轴间力将造成箱体转动，因而相同外圈的转动和所有其他外圈上5个移动。
事实上三根轴和箱体刚度可以同时考虑是重要的，因该运动和各齿轮的相对运动许可精确计算，有关齿轮相对不对中的危险数据是使用户共同关注齿轮齿形修正和降低噪音。
图7a和7b是简化的系统变形(轴和轴承)实例，在实际三轴位于的空间把三轴绘于相同的轴线上。图7a示箱体刚度用简化的轴向弹簧(径向和倾转刚度是不定的)来描述，而图7b已用全体箱体刚度矩阵计算，注意由于有限箱体刚度和轴和齿轮的变形使外圈移动大了5倍。
图7a 采用简化箱体独立轴向弹簧(不定径向和倾转箱体弹簧)计算轴变形和轴承负荷
图7b 采用全体箱体刚度计算轴变形和轴承负荷
图8a 具有多支承轴承布置的变速箱
图8b 图8a示变速箱已假定固定的径向和倾转箱体刚度
图8a和8b示一个带有多支承轴承布置的变速箱，这里已计入固定的径向和倾转箱体刚度。
对于用户所关注的予测接近各外圈的箱体应力或箱体网格保有20000节点的位移，Timken可提供一个在外圈和箱体，接触点三维负荷分布的磁盘。
为了较好地予测变速箱轴承、齿轮和箱体性能，其他许多特殊的性质已包括于Timken非线性有限元分析研究中。例如：
.径向和轴向热补偿对最终轴承安装位置的影响。
.伸缩式元件、带槽元件、垫片、垫片间隙和可换弹簧。
.滚子/座圈非赫茨应力分布和润滑油膜厚度。
Timken还提供了描述非线性有限元分析法则非圆几何学的方案，即由于予定箱体或轴椭圆度或作为特殊的滚子/座圈负载分布的结果，以便重新计算滚子/座圈载荷分布和确定最后的轴承寿命。
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