微面后驅(qū)動橋半軸滾動軸承疲勞壽命分析

1、2010年第4期車輛與動力技術(shù)Vehicle&PowerTechnology總第120期文章編號:1009-4687(2010)04-0046-03微面后驅(qū)動橋半軸滾動軸承疲勞壽命分析郭 岱, 金 婷, 余 波123(1.山西華越機(jī)械有限公司,陽泉045003;2.北京理工大學(xué),北京100081;3.重慶長安汽車股份有限公司重慶400021)摘 要:建立了某微面后驅(qū)動橋滾動軸承有限元三維分析模型,推導(dǎo)計算了半軸軸承的載荷,在對模型合理加載的條件下,采用ANSYS軟件對滾動軸承的接觸應(yīng)力進(jìn)行了分析計算,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步計算了軸承的疲勞壽命.計算結(jié)果與臺架試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性,表明建

2、立的模型正確、合理,且計算結(jié)果可以為半軸滾動軸承結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考.關(guān)鍵詞:滾動軸承;有限元分析;接觸應(yīng)力;疲勞分析中圖分類號:TH133 33 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:AFatigueLifeAnalysisofRollingBearingsonRear-axleShaftsforaMinibusGuoDai,JinTing,YuBo(1.ShanxiHuayueMachineryCo.,Ltd.,Yangquan045003,China;2.BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081;3.ChongqingChanganAutomobileCo.,Ltd.,Ch

3、ongqing400021,China)Abstract:A3DFEMmodelisestablishedforthefatiguelifeanalysisoftherollingbearingsontherear-axleshaftsforaminibus,andtheloadsonthebearingsarededuced.Withahypothesisonboundaryconditions,thecontactstressesofthebearingsareanalyzedbyusingtheANSYSsoftware.Basedonthecalculation,thefatiguel

4、ifeofthebearingsisestimated.Thecomputationalvaluesarebasicallyconsistentwiththeexperimentalresults,whichshowthattheestablishedmodelandtheselectedconstraintsarecorrec,tandthedesigndatacanserveasareferenceforthefurtheroptimizationoftherollingbearingsofrear-axleshafts.Keywords:Rollingbearing;Finiteelem

5、entanalysis;Contactstress;Fatigueanalysis微面后驅(qū)動橋半軸滾動軸承是易損零件.據(jù)統(tǒng)計,在用戶報修的汽車后橋中,有相當(dāng)一部分機(jī)械失效是由半軸軸承的損傷引起的.故對滾動軸承的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和疲勞壽命分析進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究有著重要的工程應(yīng)該用價值.在PRO/E軟件中建立微面后驅(qū)動橋半軸滾動軸承三維實(shí)體模型,然后將該模型導(dǎo)入ANSYS有限元軟件中,完成加載、接觸應(yīng)力計算,并采用疲勞計算模塊,對該軸承的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測.收稿日期:2010-05-16作者簡介:郭 岱(1968-),男,工程師,研究方向:機(jī)械設(shè)計及優(yōu)化.1-51231 建立半軸滾動軸承有限元模型滾動軸承鋼

6、球和內(nèi)外圈的接觸區(qū)域是由兩組不等曲率的軸對稱表面組成的三維接觸區(qū)域,計算接觸應(yīng)力時考慮模型倒角與邊棱,并考慮潤滑、滾動摩擦的影響.保持架對滾動軸承的應(yīng)力計算影響較小,同時也為了分析方便,在建立的模型中,不考慮保持架.表1是軸承參數(shù),建立的軸承實(shí)體模型第4期郭 岱等:微面后驅(qū)動橋半軸滾動軸承疲勞壽命分析47見圖1.表1 6307軸承參數(shù)軸承參數(shù)滾動體直徑dw/mm內(nèi)圈溝道曲率半徑ri/mm內(nèi)圈溝道溝底直徑di/mm外圈溝道曲率半徑re/mm外圈溝道溝底直徑de/mm鋼球的數(shù)量Z參數(shù)值13 4946 97045 0266 98072 0278及軸承座彈性變形的影響.軸承在工作時內(nèi)圈轉(zhuǎn)動、外圈靜止不

7、動,故把內(nèi)圈與軸的配合面設(shè)為剛性面.把軸承外圈表面也設(shè)為剛性面,也就是把軸承外圈圓柱表面施加6個自由度全為0的固定約束.圖3 半軸滾動軸承有限元模型2 半軸軸承載荷及接觸應(yīng)力計算后驅(qū)動橋半軸根據(jù)車輪端的支撐方式不同,可分為半浮式、3/4浮式和全浮式3種形式.某微面圖1 半軸滾動軸承實(shí)體模型汽車后驅(qū)動橋半軸采用第一種結(jié)構(gòu)形式,見圖4.其半軸軸承是深溝球軸承,起著支撐半軸,并把載荷傳給橋殼的作用,其載荷主要為車輪傳遞而來的垂向力、驅(qū)動力、側(cè)向力,以及這些力引起的彎矩.在對滾動軸承進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分之前設(shè)定有關(guān)參數(shù):實(shí)體單元類型為Solid192;材料的彈性模量、泊松比、密度分別為:E=2 07E1

8、1、( =0 3和(=7800kg/m.有限元網(wǎng)格采用自動劃分.選擇外圈滾道表面和內(nèi)圈滾道表面作為接觸單元,鋼球體表面作為目標(biāo)單元.接觸部分的目標(biāo)單元為無中節(jié)點(diǎn)的TARGET170,接觸單元為有中節(jié)點(diǎn)8節(jié)點(diǎn)四邊形CONTA174,建立滾子與內(nèi)外圈的接觸對如圖2所示.有限元分析模型如圖3所示.3圖4 后橋半軸受力示意圖已知輪胎受地面垂直力Z1、側(cè)向力Y1、驅(qū)動力X1,受力示意圖如圖4所示.根據(jù)力和力矩的平衡關(guān)系,建立如下方程,從而分別求解出作用在左右兩個半軸球軸承上的軸向載荷和徑向載荷圖2 建立的半軸滾動軸承鋼球與內(nèi)外圈的接觸對Ft=X2=T/rFr=Z2Fa=Y2(1)(2)(3)在計算前,要

9、對軸承進(jìn)行約束和加載.由于主要分析軸承結(jié)構(gòu)的接觸應(yīng)力,在計算中不考慮軸以軸承所受徑向力Fr0為Ft、Fr二力合力,Fr0=48車輛與動力技術(shù)2010年r+Ft.軸承的負(fù)荷一般是經(jīng)由軸傳遞給內(nèi)圈的,外載荷在內(nèi)圈與軸配合面上的應(yīng)力形式對軸承內(nèi)部接觸問題的影響可以忽略,因此加載時假定配合面上的應(yīng)力是沿外載荷方向均勻分布的.載荷計算參數(shù)見表2.表2 6307軸承加載載荷計算參數(shù)參數(shù)半軸懸臂長度d/m圓錐滾子軸承中心點(diǎn)距滾動球軸承中心距離a/m車輪滾動半徑r/m輪胎側(cè)向載荷Y1/N輪胎垂向載荷Z1/N輪胎驅(qū)動力X1/N參數(shù)值0 0270 5890 273195266673219束后,得到軸承的應(yīng)力云圖,

10、見圖5,其最大接觸應(yīng)力結(jié)果見表3.將前面計算得到的載荷在ANSYS加載菜單中作用到軸承內(nèi)圈上,進(jìn)行非線性迭代計算.求解結(jié)允許使用的壽命循環(huán)次數(shù)圖5 后橋軸承應(yīng)力分布圖表3 軸承疲勞壽命計算結(jié)果(存活率為90%)軸承型號6307接觸應(yīng)力最大部位外圈滾道與鋼球接觸處最大應(yīng)預(yù)期循壽命使用系數(shù)力/MPa環(huán)次數(shù)Raje-Sadeghi理論Lundberg-Palmgren理論Raje-Sadeghi理論Lundberg-Palmgren理論106010715 4 10713 9 1070 06490 07193 滾動軸承疲勞壽命計算分析在前面應(yīng)力計算的基礎(chǔ)上,進(jìn)行軸承的疲勞壽命計算.步驟如下:打開接觸分

11、析以后的有限元模型; 疲勞數(shù)據(jù)存儲步長設(shè)置; 選擇疲勞位置. 保存節(jié)點(diǎn)應(yīng)力. 檢查疲勞應(yīng)力曲線.疲勞應(yīng)力曲線采用兩種理論Raje-Sadeghi理論:14 結(jié) 論1)由計算結(jié)果可知,某微面后驅(qū)動后橋半軸軸承鋼球與內(nèi)、外圈滾道接觸應(yīng)力最大值為1060MPa.如果以1千萬次循環(huán)預(yù)期壽命為目標(biāo),6307球軸承計算的使用壽命遠(yuǎn)未達(dá)到允許壽命.2)利用有限元分析計算軸承接觸應(yīng)力,并結(jié)合滾動軸承疲勞壽命有關(guān)理論和方法,完成了半軸滾動球軸承接觸疲勞壽命數(shù)值計算分析,計算結(jié)果得到:0.58與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合.參考文獻(xiàn):N=SpmaxLundberg-Palmgren理論:N=pmaxS環(huán)次數(shù),10次.設(shè)定疲勞位置.設(shè)定疲勞事件參數(shù). 計算疲勞壽命.6(4)1 FarshidSadegh,iBehroozJalalahmad,iTrevorS.Slack,eta.lAReviewofRollingContactFatigueJ.JournalofTribology,2009,131(4):041403-1-041403-15.2 李惠彬.長安汽車后橋臺架可靠性實(shí)驗(yàn)報告R.北京:北京理工大學(xué),2009.20083 蔣立冬,應(yīng)麗霞.高速重載滾動軸承接觸應(yīng)力和變形的有限元分析J.機(jī)械設(shè)計與制造,(10):62-64.4 馬星國,孫 雪,尤小梅.基于ANSYS的滾針軸承的有限元分析J.中國工程機(jī)械學(xué)報,