基于ANSYS的推力球軸承接觸的有限元分析

1、!6!文章編號(hào):1002-6886(2008)02-0006-02現(xiàn)代機(jī)械 2008年第2期基于ANSYS的推力球軸承接觸的有限元分析李曉強(qiáng),王秀梅,許勝利(上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院安全與斷裂研究室,上海 200072)摘要:本文采用ANSYS對(duì)某型號(hào)推力球軸承的滾珠與座圈、軸圈的滾道之間的接觸問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值分析,為進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)、改進(jìn)結(jié)構(gòu)提供可靠的參考依據(jù)。關(guān)鍵詞:推力球軸承 接觸 有限元分析 ANSYS中圖分類(lèi)號(hào):TH133.33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AFiniteElementAnalysisonContactofThrustBallBearingBasedonANSYSLIXiaoqia

2、ng,WANGXiume,iXUShengliAbstract:Anumericalanalysisoncontac,twhichisbetweenbearingballsandracewayofseatwasherandshaftwasher s,ofthrustballbearingisconductedinthispaper,soastoprovidereliablereferenceandreasonableguidanceforfurtherdesignoptmiizationandstructuremiprovemen.tKeywords:thrustballbearing;con

3、tac;tfiniteelementanalysis;ANSYS0 引言隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,對(duì)軸承的性能提出了越來(lái)越高的要求,這也就對(duì)軸承的優(yōu)化設(shè)計(jì)提出了新的課題。一般來(lái)說(shuō),對(duì)推力球軸承性能影響較大的參數(shù)為:球徑、球數(shù)、滾道曲率系數(shù)、軸承座圈和軸圈直徑,其中球徑、滾道曲率系數(shù)、軸承座圈和軸圈直徑?jīng)Q定著接觸區(qū)域的幾何形狀,進(jìn)而直接影響接觸面的形狀、接觸應(yīng)力的分布和摩擦力矩的大小;球數(shù)則決定著軸承滾動(dòng)體負(fù)荷的分布,從而影響局部接觸應(yīng)力的大小1可以用于一般滾動(dòng)軸承中的接觸應(yīng)力和變形分析,理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合。2 推力球軸承的接觸分析2.1理論計(jì)算按照赫茲理論即可計(jì)算出推力球軸承的理論接觸應(yīng)

4、力:!Q23(1-1/m式中!為接觸處的曲率; 、 為赫茲系數(shù),通過(guò)查表得出;E為彈性模量;1/m為泊松比;Q為外加載荷。P=將數(shù)據(jù)代入公式,通過(guò)計(jì)算求得P#1.48GPa。2.2有限元分析有限元分析是一項(xiàng)較為復(fù)雜的工作過(guò)程,主要包括建立實(shí)體模型、建立有限單元模型、確定典型工況及外載荷、邊界約束條件處理、有限單元計(jì)算、計(jì)算結(jié)果處理以及對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析和研究。如何建立一個(gè)與實(shí)際推力球軸承結(jié)構(gòu)相接近的有限元模型,準(zhǔn)確地分析軸承受力狀態(tài),并施加相應(yīng)的載荷,以及確定正確的邊界約束條件,這都是要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。推力球軸承工作時(shí),主要承受軸向載荷,而且通常是多個(gè)滾珠共同承受載荷,屬于多體接觸問(wèn)題。座圈滾道與

5、滾珠之間和軸圈滾道與滾珠之間的接觸是點(diǎn)接觸,但在外加載荷的作用下,會(huì)由最初的接觸點(diǎn)變?yōu)樽罱K的接觸曲面。同時(shí),軸承座圈與軸承座的配合,座圈、軸圈與軸的配合也都屬于接觸問(wèn)題,接觸情況相對(duì)來(lái)講比較復(fù)雜,也會(huì)對(duì)軸承的內(nèi)部接觸產(chǎn)生影響。試驗(yàn)研究表明:推力球軸承的失效形式主要為滾動(dòng)體=!F ! !E!21/3。CAD/CAE(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/計(jì)算機(jī)輔助工程)技術(shù)的發(fā)展為軸承的優(yōu)化設(shè)計(jì)創(chuàng)造了非常好的條件。采用三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks進(jìn)行建模,然后采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)推力球軸承進(jìn)行靜力接觸分析,為生產(chǎn)廠家進(jìn)一步的優(yōu)化結(jié)構(gòu),改進(jìn)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。1 滾動(dòng)軸承分析基礎(chǔ) 赫茲理論赫茲彈性接觸理論在滾動(dòng)

6、軸承載荷分布計(jì)算中占有重要地位,它構(gòu)成了滾動(dòng)體接觸變形與應(yīng)力計(jì)算的基礎(chǔ)。經(jīng)典分析法需有下述三個(gè)前提條件:第一,相互接觸的物體的材料應(yīng)是勻質(zhì)的和各向同性的;第二,接觸形成的壓力面應(yīng)是平坦的面,并且壓力面的長(zhǎng)短軸線與接觸處曲率半徑的比值應(yīng)很小;第三,就是不能超過(guò)材料的彈性極限。赫茲理論論述的是兩個(gè)具有曲率的物體在外力作用下相互擠壓接觸的情況。正因其所得結(jié)論簡(jiǎn)單直觀,便于設(shè)計(jì)應(yīng)用,因而迄今為止仍然使用最多。實(shí)踐證明該理論作者簡(jiǎn)介:李曉強(qiáng)(1984 ),男,上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院安全與斷裂研究室碩士研究生。 收稿日期:2007-12-14冷加工!通用機(jī)械!7!的疲勞剝落。因此,為了方便分析,本文

7、做了合理的簡(jiǎn)化,即著重考慮座圈滾道與滾珠之間和軸圈滾道與滾珠之間的接觸。接觸問(wèn)題是一種高度非線性行為,一般存在三個(gè)較大的難點(diǎn):一是求解前接觸區(qū)域不確定;二是接觸約束可能有時(shí)接觸有時(shí)分開(kāi);三是大多數(shù)接觸需要計(jì)算摩擦,摩擦又引入了另一種非線性問(wèn)2題。本文所分析的推力球軸承(實(shí)體模型如下圖1所示,滾珠個(gè)數(shù)為15),是應(yīng)用于某割草機(jī)減速裝置上的推力球軸承。在導(dǎo)入實(shí)體模型后,對(duì)其采用SOLID92單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分,且在可能的接觸區(qū)域進(jìn)行了局部網(wǎng)格細(xì)化,其中球面為接觸面(選用單元TARGE170),座圈滾道面、軸圈滾道面為對(duì)應(yīng)的目標(biāo)面(選用單元CONTA174)。此推力球軸承共有15個(gè)滾珠,相應(yīng)的接觸對(duì)共

8、有30個(gè)。此軸承在實(shí)際工作狀況中,其所受載荷大小在圓周方向上并不是相同的,而是變化的。在相應(yīng)的試驗(yàn)中,載荷是加在平均分布在軸圈上表面的五個(gè)加載點(diǎn)上。在本文的模擬分析中,假定此推力球軸承處于水平位置,外加載荷垂直作用于軸圈上表面,且不考慮重力作用的影響。為了更好的把握此推力球軸承的接觸分析,選取兩種不同的載荷施加條件,即施加5個(gè)大小都相等的載荷和施加5個(gè)大小變化的載荷。2.2.1載荷大小相等荷影響了滾珠與座圈、軸圈之間的接觸,進(jìn)而引起其應(yīng)力分布和變形情況。較大荷載加載點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的滾珠和滾道所受應(yīng)力和變形也較大,其它位置的滾珠和滾道所受應(yīng)力也相應(yīng)的發(fā)生一定的變化。但是,以上兩種加載情況下的接觸都是與

9、赫茲接觸理論相一致的。3 結(jié)束語(yǔ)本文中對(duì)此推力球軸承的數(shù)值模擬情況既符合傳統(tǒng)的理論分析,也符合實(shí)際的試驗(yàn)結(jié)果,因此可以作為優(yōu)化設(shè)計(jì)可靠的參考依據(jù),為進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供合理的技術(shù)指導(dǎo)。如圖2所示,最大接觸應(yīng)力約等于1.42GPa,與理論值1.48GPa基本相等。由圖3、圖4的分析結(jié)果可以看出:接觸情況符合赫茲接觸理論,接觸面大體成橢圓形。5個(gè)加載點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的滾珠和滾道上的Von-Mises等效應(yīng)力相對(duì)較大,其它位置的滾珠和滾道所受的應(yīng)力和變形相對(duì)要小。2.2.2載荷大小變化參考文獻(xiàn)1徐強(qiáng),任成祖,陳錦江.混合陶瓷球軸承接觸曲面及接觸應(yīng)力的三維有限元分析.機(jī)床與液壓,2003(2):204 2062吳振勇,任成祖,徐強(qiáng).混合陶瓷球軸承優(yōu)化設(shè)計(jì)中接觸問(wèn)題的三維有限元分析.機(jī)械設(shè)計(jì),2004(5):47 493劉寧,張鋼,高剛,趙志峰.基于ANSYS的圓柱滾子軸承有限元應(yīng)力分析.軸承,2006(12)4ANSYSContactT