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圓錐滾子軸承滾子有限元分析

發(fā)布于:2023-03-30 21:44
有限元分析

      圓錐滾子軸承因具有承載能力大、剛性好、可同時承受軸向與徑向負(fù)荷、速度性能好等許多優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于汽車、機床、鐵路、礦山等各種機械設(shè)備中。圓錐滾子軸承是為某公司重點配套的產(chǎn)品,客戶對軸承壽命有較高的要求,這就需要從設(shè)計、工藝上進行攻關(guān)。影響軸承壽命的因素很多,除了材料、熱處理、制造加工、工裝設(shè)備等,同軸承滾子-滾道凸型輪廓有很大的關(guān)系。進行凸度設(shè)計是減小應(yīng)力集中、改善軸承壽命的一個重要手段。圓錐滾子軸承凸度設(shè)計包括凸型設(shè)計和凸度量設(shè)計,前者應(yīng)盡量采用比較理想的凸型,而后者則取決于滾子載荷和長度。進行凸度設(shè)計,首先必須計算出滾子的最大觸載荷,而設(shè)計結(jié)果是否合理,還需要通過對滾子和滾道的接觸應(yīng)力進行有限元分析來加以衡量,直至確定合理的套圈和滾子凸度量。
      軸承同時受徑向力Fr和軸向力Fa的作用,需要對其極端工況進行分析。最惡劣的3種情形,如表1所示,其中α為軸承的接觸角,ε為載荷分布系數(shù),ϕ1為載荷角。極端的工況可能使軸承接觸區(qū)域產(chǎn)生極大的應(yīng)力,會加速軸承的疲勞破壞。對軸承滾子-滾道進行合理的凸度設(shè)計,可以減小這種的應(yīng)力的影響。凸度量的大小可以通過仿真分析來判定其是否合理。
      根據(jù)表提供的數(shù)據(jù),經(jīng)過計算分析,這3種工況下,(Fr/Fa)tanα皆為0.8,ε皆為0.42886,ϕl皆為81.8182。以第1種工況為例,計算結(jié)果為:接觸滾子個數(shù)為11顆(為總數(shù)的1/2),最大滾子載荷為17.129 kN。具體結(jié)果參閱表以及圖,其中D為軸承的外徑,εD為載荷分布系數(shù)。
      從上面的分析來看,本產(chǎn)品的設(shè)計特征是:外載荷的變化盡可能保持(Fr/Fa)tanα的數(shù)值為常數(shù),以保證各種工況下軸承的載荷角為定值,即:各種工況條件下,軸承承載滾子個數(shù)恒定,為滾子總數(shù)的1/2。
      通過以上工況條件分析,得到了軸承的載荷分布,選取最大的載荷Qmax作為設(shè)計載荷,進行凸度設(shè)計,并把凸度分配在滾子和套圈上,進行合理的匹配。設(shè)計原則是:①軸承接觸應(yīng)力應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于產(chǎn)生永久變形時的接觸應(yīng)力4.0 GPa;②輕載時滾子、滾道接觸長度不小于滾子有效長度的70%,應(yīng)有足夠的承載長度;重載時不出現(xiàn)應(yīng)力集中,防止軸承過早疲勞剝落。
      文獻中認(rèn)為存在一種滾子輪廓可以產(chǎn)生印痕為矩形的壓力分布,這種輪廓符合一個對數(shù)方程。以滾子為例,其形狀如圖所示,由一段連續(xù)的特殊對數(shù)型曲線構(gòu)成,圖中a為曲線偏移量;滾道凸型與之類似。將軸承內(nèi)、外圈以及滾子的凸度分為若干匹配等級,并在這幾個等級中選取數(shù)種特征凸度匹配(見表3),進而對各種匹配關(guān)系進行有限元分析。
      影響軸承接觸應(yīng)力分布的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工況參數(shù)見表4。表中:Lwe為滾子的有效長度;Dw為滾子大頭直徑;Dwl為滾子小頭直徑;Dwe為滾子中心直徑;Z為滾子個數(shù);α為軸承公稱接觸角;ϕ為滾子半錐角;β=α−2ϕ;Qmax為最大滾子載荷;Dpw為滾子節(jié)圓直徑。利用這些參數(shù),可對軸承接觸應(yīng)力進行計算。
      應(yīng)用Hertz理論的計算結(jié)果作為參考,以判斷滾子-滾道接觸應(yīng)力狀況。
      以上是以工況條件1為例,得到承受最大載荷的滾子接觸尺寸以及平均應(yīng)力分析情況。
      針對上面凸度匹配中的幾個級別特征匹配,進行有限元分析,以得到較為合理的凸度配合。凸度設(shè)計采用對數(shù)凸型,凸度量大小按照表3中的方案。以下依據(jù)特征凸度匹配對各種情況進行有限元分析,有限元模型如圖3所示。

 

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