基于ANSYS的推力球軸承接觸的有限元分析

1、!6!文章編號: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)電工程與自動化學(xué)院安全與斷裂研究室,上海 200072)摘要:本文采用ANSYS對某型號推力球軸承的滾珠與座圈、軸圈的滾道之間的接觸問題進(jìn)行了數(shù)值分析,為進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計、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中圖分類號:TH133.33 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: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,對軸承的性能提出了越來越高的要求,這也就對軸承的優(yōu)化設(shè)計提出了新的課題。一般來說,對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可以用于一般滾動軸承中的接觸應(yīng)力和變形分析,理論計算結(jié)果與試驗結(jié)果較為吻合。2 推力球軸承的接觸分析2.1理論計算按照赫茲理論即可計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,通過計算求得P#1.48GPa。2.2有限元分析有限元分析是一項較為復(fù)雜的工作過程,主要包括建立實體模型、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、有限單元計算、計算結(jié)果處理以及對結(jié)果進(jìn)行分析和研究。如何建立一個與實際推力球軸承結(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,這都是要重點解決的問題。推力球軸承工作時,主要承受軸向載荷,而且通常是多個滾珠共同承受載荷,屬于多體接觸問題。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接觸,但在外加載荷的作用下,會由最初的接觸點變?yōu)樽罱K的接觸曲面。同時,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題,接觸情況相對來講比較復(fù)雜,也會對軸承的內(nèi)部接觸產(chǎn)生影響。試驗研究表明:推力球軸承的失效形式主要為滾動體=!F ! !E!21/3。CAD/CAE(計算機(jī)輔助設(shè)計/計算機(jī)輔助工程)技術(shù)的發(fā)展為軸承的優(yōu)化設(shè)計創(chuàng)造了非常好的條件。采用三維設(shè)計軟件SolidWorks進(jìn)行建模,然后采用有限元分析軟件ANSYS對推力球軸承進(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)計提供指導(dǎo)。1 滾動軸承分析基礎(chǔ) 赫茲理論赫茲彈性接觸理論在滾動

6、軸承載荷分布計算中占有重要地位,它構(gòu)成了滾動體接觸變形與應(yīng)力計算的基礎(chǔ)。經(jīng)典分析法需有下述三個前提條件: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,就是不能超過材料的彈性極限。赫茲理論論述的是兩個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)論簡單直觀,便于設(shè)計應(yīng)用,因而迄今為止仍然使用最多。實踐證明該理論作者簡介:李曉強(qiáng)(1984 ),男,上海大學(xué)機(jī)電工程與自動化學(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。接觸問題是一種高度非線性行為,一般存在三個較大的難點:一是求解前接觸區(qū)域不確定;二是接觸約束可能有時接觸有時分開;三是大多數(shù)接觸需要計算摩擦,摩擦又引入了另一種非線性問2題。本文所分析的推力球軸承(實體模型如下圖1所示,滾珠個數(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)入實體模型后,對其采用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、軸圈滾道面為對應(yīng)的目標(biāo)面(選用單元CONTA174)。此推力球軸承共有15個滾珠,相應(yīng)的接觸對共

8、有30個。此軸承在實際工作狀況中,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)的試驗中,載荷是加在平均分布在軸圈上表面的五個加載點上。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個大小都相等的載荷和施加5個大小變化的載荷。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。較大荷載加載點所對應(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)束語本文中對此推力球軸承的數(shù)值模擬情況既符合傳統(tǒng)的理論分析,也符合實際的試驗結(jié)果,因此可以作為優(yōu)化設(shè)計可靠的參考依據(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個加載點所對應(yīng)的滾珠和滾道上的Von-Mises等效應(yīng)力相對較大,其它位置的滾珠和滾道所受的應(yīng)力和變形相對要小。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)計中接觸問題的三維有限元分析.機(jī)械設(shè)計,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