向心关节轴承结构有限元分析.doc

基于有限元法的向心关节轴承的力学性能分析 关节轴承是一种特殊结构，其主要是由一个有外球面的内圈和一个有内球面的外圈组成，能承受较大的负荷，根据其不同的类型和结构，可以承受径向负荷、轴向负荷或径向、轴向同时存在的联合负荷。关节轴承一般用于速度较低的摆动运动（即角运动），由于滑动表面为球面形，亦可在一定角度范围内作倾斜运动（即调心运动），在支承轴与轴壳孔不同心度较大时，仍能正常工作 图（1） 在不知道具体工况的情况下，为便于建模分析和计算，对模型进行如下简化： 忽略关节轴承的一些细小特征，如倒角、圆角和油槽。 将轴承外圈看作一个整体（实际中为了装配，外圈由两个半圈拼合而成）。 忽略心轴与内圈、外圈与基座之间接触面的滑移（即建立绑定约束）。 实际中心轴与基座一般刚度较大，故将其定义为刚体，即不发生形变。 模型说明：模型由四个零部件组成，从内向外分别为心轴、轴承内圈、轴承外圈和基座。其中基座的所有自由度被限制，在心轴上施加载荷。 使用工况：基座固定，心轴受载。实际中向心关节轴承既能承受径向力，也能承受轴向力，但其主要受力方式为径向受力。故分别从轴向加载、径向加载和轴径向加载（轴向和径向均加上一定载荷）对其进行有限元分析计算，看其所受的最大应力情况。为关节轴承的实际使用提供参照。 模型尺寸： 1.关节轴承内圈尺寸： 左视图 正视图 图（2） 2.关节轴承外圈尺寸： 一般视图 正视图 俯视图 图（3） 该模型中内圈外球面半径为5.557mm，外圈内球面半径为5.5565mm，故过盈量为0.0005mm。 模型中设定的参数： 表（1） 部件 轴承外圈 轴承内圈 心轴 基座 弹性模量 E/GPa 200 206 刚 体 刚 体 泊松比 0.3 0.3 强度极限 1960 1340 分析内容： 1.轴向加载 在心轴参考点RP-axis处施加10kN的沿Z轴正向的轴向力。 轴承外圈应力云图如下： 图（4） 云图说明：该云图只显示了外圈，模型以过轴线的平面为剖面进行剖分。 云图分析：对模型应力云图分析可见，最大应力出现在关节轴承外圈靠近边缘（外法线方向与轴力方向相同的一侧边缘）处的内侧。最大应力值为892.9Mpa。 轴承外圈变形云图如下： 图（5） 云图说明：单独显示外圈，并将其用过轴线的平面进行剖分。模型的变形缩放系数取为50。 云图分析：从变形云图可见，外圈在靠近边缘处有着最大应变，这与应力云图的结果相符合，是轴承内圈在轴向力作用下与外圈挤压的效果。 轴向力作用下轴承外圈强度失效分析： 通过对轴承外圈的应力应变云图分析可见，当轴向力逐渐加大时，外圈边缘内侧的应力将首先达到破坏临界值，届时，轴承外圈边缘处较为薄弱的两个半环对接处将会出现裂纹，轴承失效。这与文献一中所做试验观察到的破坏现象相一致。 轴承内圈应力云图如下： 图（6） 云图说明：该云图只显示了内圈，模型以过轴线的平面为剖面进行剖分。 云图分析：对模型应力云图分析可见，最大应力出现在关节轴承内圈与外圈边缘接触线附近内部。最大应力值为392.27Mpa。同时测得心轴沿Z轴向的位移为4.120e-2mm 球面接触应力云图如下： 图（7） 云图说明：该云图为轴承球面接触应力云图，单独显示轴承内圈。 云图分析：球面接触应力最大值出现在Z坐标较大的一侧，其值为593.6Mpa。 改变轴向力的大小，经ABAQUS分析后得到如下数据： 表（2） 载荷大 小/kN 外圈最大 应力/MPa 内圈最大 应力/MPa 心轴位移（轴向） /mm*10e-2 球面最大 接触应力/MPa 4 356.33 156.28 1.617 237.56 8 712.38 313.38 3.277 474.22 12 1075.47 472.36 4.976 721.87 16 1441.37 634.63 6.690 978.56 20 1808.73 798.34 8.451 1236.75 24 2185.47 963.72 10.279 1510.70 对上表的数据分析后发现，各个量的值均与载荷大小近似成正比，下面在同一张图中给出不同轴向载荷作用下的内、外圈最大应力值。 图（8） 采用线性最小二乘法对数据进行拟合，得到 外圈最大应力值与轴向载荷的关系为