微面后驱动桥半轴滚动轴承疲劳寿命分析

1、2010年第4期车辆与动力技术Vehicle&PowerTechnology总第120期文章编号:1009-4687(2010)04-0046-03微面后驱动桥半轴滚动轴承疲劳寿命分析郭 岱, 金 婷, 余 波123(1.山西华越机械有限公司,阳泉045003;2.北京理工大学,北京100081;3.重庆长安汽车股份有限公司重庆400021)摘 要:建立了某微面后驱动桥滚动轴承有限元三维分析模型,推导计算了半轴轴承的载荷,在对模型合理加载的条件下,采用ANSYS软件对滚动轴承的接触应力进行了分析计算,并在此基础上进一步计算了轴承的疲劳寿命.计算结果与台架试验结果具有较好的一致性,表明建

2、立的模型正确、合理,且计算结果可以为半轴滚动轴承结构优化提供参考.关键词:滚动轴承;有限元分析;接触应力;疲劳分析中图分类号:TH133 33 文献标识码: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微面后驱动桥半轴滚动轴承是易损零件.据统计,在用户报修的汽车后桥中,有相当一部分机械失效是由半轴轴承的损伤引起的.故对滚动轴承的结构应力和疲劳寿命分析进行理论和实验研究有着重要的工程应该用价值.在PRO/E软件中建立微面后驱动桥半轴滚动轴承三维实体模型,然后将该模型导入ANSYS有限元软件中,完成加载、接触应力计算,并采用疲劳计算模块,对该轴承的疲劳寿命进行预测.收稿日期:2010-05-16作者简介:郭 岱(1968-),男,工程师,研究方向:机械设计及优化.1-51231 建立半轴滚动轴承有限元模型滚动轴承钢

6、球和内外圈的接触区域是由两组不等曲率的轴对称表面组成的三维接触区域,计算接触应力时考虑模型倒角与边棱,并考虑润滑、滚动摩擦的影响.保持架对滚动轴承的应力计算影响较小,同时也为了分析方便,在建立的模型中,不考虑保持架.表1是轴承参数,建立的轴承实体模型第4期郭 岱等:微面后驱动桥半轴滚动轴承疲劳寿命分析47见图1.表1 6307轴承参数轴承参数滚动体直径dw/mm内圈沟道曲率半径ri/mm内圈沟道沟底直径di/mm外圈沟道曲率半径re/mm外圈沟道沟底直径de/mm钢球的数量Z参数值13 4946 97045 0266 98072 0278及轴承座弹性变形的影响.轴承在工作时内圈转动、外圈静止不

7、动,故把内圈与轴的配合面设为刚性面.把轴承外圈表面也设为刚性面,也就是把轴承外圈圆柱表面施加6个自由度全为0的固定约束.图3 半轴滚动轴承有限元模型2 半轴轴承载荷及接触应力计算后驱动桥半轴根据车轮端的支撑方式不同,可分为半浮式、3/4浮式和全浮式3种形式.某微面图1 半轴滚动轴承实体模型汽车后驱动桥半轴采用第一种结构形式,见图4.其半轴轴承是深沟球轴承,起着支撑半轴,并把载荷传给桥壳的作用,其载荷主要为车轮传递而来的垂向力、驱动力、侧向力,以及这些力引起的弯矩.在对滚动轴承进行有限元网格划分之前设定有关参数:实体单元类型为Solid192;材料的弹性模量、泊松比、密度分别为:E=2 07E1

8、1、( =0 3和(=7800kg/m.有限元网格采用自动划分.选择外圈滚道表面和内圈滚道表面作为接触单元,钢球体表面作为目标单元.接触部分的目标单元为无中节点的TARGET170,接触单元为有中节点8节点四边形CONTA174,建立滚子与内外圈的接触对如图2所示.有限元分析模型如图3所示.3图4 后桥半轴受力示意图已知轮胎受地面垂直力Z1、侧向力Y1、驱动力X1,受力示意图如图4所示.根据力和力矩的平衡关系,建立如下方程,从而分别求解出作用在左右两个半轴球轴承上的轴向载荷和径向载荷图2 建立的半轴滚动轴承钢球与内外圈的接触对Ft=X2=T/rFr=Z2Fa=Y2(1)(2)(3)在计算前,要

9、对轴承进行约束和加载.由于主要分析轴承结构的接触应力,在计算中不考虑轴以轴承所受径向力Fr0为Ft、Fr二力合力,Fr0=48车辆与动力技术2010年r+Ft.轴承的负荷一般是经由轴传递给内圈的,外载荷在内圈与轴配合面上的应力形式对轴承内部接触问题的影响可以忽略,因此加载时假定配合面上的应力是沿外载荷方向均匀分布的.载荷计算参数见表2.表2 6307轴承加载载荷计算参数参数半轴悬臂长度d/m圆锥滚子轴承中心点距滚动球轴承中心距离a/m车轮滚动半径r/m轮胎侧向载荷Y1/N轮胎垂向载荷Z1/N轮胎驱动力X1/N参数值0 0270 5890 273195266673219束后,得到轴承的应力云图,

10、见图5,其最大接触应力结果见表3.将前面计算得到的载荷在ANSYS加载菜单中作用到轴承内圈上,进行非线性迭代计算.求解结允许使用的寿命循环次数图5 后桥轴承应力分布图表3 轴承疲劳寿命计算结果(存活率为90%)轴承型号6307接触应力最大部位外圈滚道与钢球接触处最大应预期循寿命使用系数力/MPa环次数Raje-Sadeghi理论Lundberg-Palmgren理论Raje-Sadeghi理论Lundberg-Palmgren理论106010715 4 10713 9 1070 06490 07193 滚动轴承疲劳寿命计算分析在前面应力计算的基础上,进行轴承的疲劳寿命计算.步骤如下:打开接触分

11、析以后的有限元模型; 疲劳数据存储步长设置; 选择疲劳位置. 保存节点应力. 检查疲劳应力曲线.疲劳应力曲线采用两种理论Raje-Sadeghi理论:14 结 论1)由计算结果可知,某微面后驱动后桥半轴轴承钢球与内、外圈滚道接触应力最大值为1060MPa.如果以1千万次循环预期寿命为目标,6307球轴承计算的使用寿命远未达到允许寿命.2)利用有限元分析计算轴承接触应力,并结合滚动轴承疲劳寿命有关理论和方法,完成了半轴滚动球轴承接触疲劳寿命数值计算分析,计算结果得到:0.58与实验结果基本吻合.参考文献:N=SpmaxLundberg-Palmgren理论:N=pmaxS环次数,10次.设定疲劳位置.设定疲劳事件参数. 计算疲劳寿命.6(4)1 FarshidSadegh,iBehroozJalalahmad,iTrevorS.Slack,eta.lAReviewofRollingContactFatigueJ.JournalofTribology,2009,131(4):041403-1-041403-15.2 李惠彬.长安汽车后桥台架可靠性实验报告R.北京:北京理工大学,2009.20083 蒋立冬,应丽霞.高速重载滚动轴承接触应力和变形的有限元分析J.机械设计与制造,(10):62-64.4 马星国,孙 雪,尤小梅.基于ANSYS的滚针轴承的有限元分析J.中国工程机械学报,