基于ANSYS的推力球轴承接触的有限元分析

1、!6!文章编号:1002-6886(2008)02-0006-02现代机械 2008年第2期基于ANSYS的推力球轴承接触的有限元分析李晓强,王秀梅,许胜利(上海大学机电工程与自动化学院安全与断裂研究室,上海 200072)摘要:本文采用ANSYS对某型号推力球轴承的滚珠与座圈、轴圈的滚道之间的接触问题进行了数值分析,为进一步的优化设计、改进结构提供可靠的参考依据。关键词:推力球轴承 接触 有限元分析 ANSYS中图分类号:TH133.33 文献标识码:AFiniteElementAnalysisonContactofThrustBallBearingBasedonANSYSLIXiaoqia

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

3、tac;tfiniteelementanalysis;ANSYS0 引言随着现代工业的发展,对轴承的性能提出了越来越高的要求,这也就对轴承的优化设计提出了新的课题。一般来说,对推力球轴承性能影响较大的参数为:球径、球数、滚道曲率系数、轴承座圈和轴圈直径,其中球径、滚道曲率系数、轴承座圈和轴圈直径决定着接触区域的几何形状,进而直接影响接触面的形状、接触应力的分布和摩擦力矩的大小;球数则决定着轴承滚动体负荷的分布,从而影响局部接触应力的大小1可以用于一般滚动轴承中的接触应力和变形分析,理论计算结果与试验结果较为吻合。2 推力球轴承的接触分析2.1理论计算按照赫兹理论即可计算出推力球轴承的理论接触应

4、力:!Q23(1-1/m式中!为接触处的曲率; 、 为赫兹系数,通过查表得出;E为弹性模量;1/m为泊松比;Q为外加载荷。P=将数据代入公式,通过计算求得P#1.48GPa。2.2有限元分析有限元分析是一项较为复杂的工作过程,主要包括建立实体模型、建立有限单元模型、确定典型工况及外载荷、边界约束条件处理、有限单元计算、计算结果处理以及对结果进行分析和研究。如何建立一个与实际推力球轴承结构相接近的有限元模型,准确地分析轴承受力状态,并施加相应的载荷,以及确定正确的边界约束条件,这都是要重点解决的问题。推力球轴承工作时,主要承受轴向载荷,而且通常是多个滚珠共同承受载荷,属于多体接触问题。座圈滚道与

5、滚珠之间和轴圈滚道与滚珠之间的接触是点接触,但在外加载荷的作用下,会由最初的接触点变为最终的接触曲面。同时,轴承座圈与轴承座的配合,座圈、轴圈与轴的配合也都属于接触问题,接触情况相对来讲比较复杂,也会对轴承的内部接触产生影响。试验研究表明:推力球轴承的失效形式主要为滚动体=!F ! !E!21/3。CAD/CAE(计算机辅助设计/计算机辅助工程)技术的发展为轴承的优化设计创造了非常好的条件。采用三维设计软件SolidWorks进行建模,然后采用有限元分析软件ANSYS对推力球轴承进行静力接触分析,为生产厂家进一步的优化结构,改进设计提供指导。1 滚动轴承分析基础 赫兹理论赫兹弹性接触理论在滚动

6、轴承载荷分布计算中占有重要地位,它构成了滚动体接触变形与应力计算的基础。经典分析法需有下述三个前提条件:第一,相互接触的物体的材料应是匀质的和各向同性的;第二,接触形成的压力面应是平坦的面,并且压力面的长短轴线与接触处曲率半径的比值应很小;第三,就是不能超过材料的弹性极限。赫兹理论论述的是两个具有曲率的物体在外力作用下相互挤压接触的情况。正因其所得结论简单直观,便于设计应用,因而迄今为止仍然使用最多。实践证明该理论作者简介:李晓强(1984 ),男,上海大学机电工程与自动化学院安全与断裂研究室硕士研究生。 收稿日期:2007-12-14冷加工!通用机械!7!的疲劳剥落。因此,为了方便分析,本文

7、做了合理的简化,即着重考虑座圈滚道与滚珠之间和轴圈滚道与滚珠之间的接触。接触问题是一种高度非线性行为,一般存在三个较大的难点:一是求解前接触区域不确定;二是接触约束可能有时接触有时分开;三是大多数接触需要计算摩擦,摩擦又引入了另一种非线性问2题。本文所分析的推力球轴承(实体模型如下图1所示,滚珠个数为15),是应用于某割草机减速装置上的推力球轴承。在导入实体模型后,对其采用SOLID92单元进行网格划分,且在可能的接触区域进行了局部网格细化,其中球面为接触面(选用单元TARGE170),座圈滚道面、轴圈滚道面为对应的目标面(选用单元CONTA174)。此推力球轴承共有15个滚珠,相应的接触对共

8、有30个。此轴承在实际工作状况中,其所受载荷大小在圆周方向上并不是相同的,而是变化的。在相应的试验中,载荷是加在平均分布在轴圈上表面的五个加载点上。在本文的模拟分析中,假定此推力球轴承处于水平位置,外加载荷垂直作用于轴圈上表面,且不考虑重力作用的影响。为了更好的把握此推力球轴承的接触分析,选取两种不同的载荷施加条件,即施加5个大小都相等的载荷和施加5个大小变化的载荷。2.2.1载荷大小相等荷影响了滚珠与座圈、轴圈之间的接触,进而引起其应力分布和变形情况。较大荷载加载点所对应的滚珠和滚道所受应力和变形也较大,其它位置的滚珠和滚道所受应力也相应的发生一定的变化。但是,以上两种加载情况下的接触都是与

9、赫兹接触理论相一致的。3 结束语本文中对此推力球轴承的数值模拟情况既符合传统的理论分析,也符合实际的试验结果,因此可以作为优化设计可靠的参考依据,为进一步的结构改进提供合理的技术指导。如图2所示,最大接触应力约等于1.42GPa,与理论值1.48GPa基本相等。由图3、图4的分析结果可以看出:接触情况符合赫兹接触理论,接触面大体成椭圆形。5个加载点所对应的滚珠和滚道上的Von-Mises等效应力相对较大,其它位置的滚珠和滚道所受的应力和变形相对要小。2.2.2载荷大小变化参考文献1徐强,任成祖,陈锦江.混合陶瓷球轴承接触曲面及接触应力的三维有限元分析.机床与液压,2003(2):204 2062吴振勇,任成祖,徐强.混合陶瓷球轴承优化设计中接触问题的三维有限元分析.机械设计,2004(5):47 493刘宁,张钢,高刚,赵志峰.基于ANSYS的圆柱滚子轴承有限元应力分析.轴承,2006(12)4ANSYSContactT