不同载荷分布下深沟球轴承的特性研究

不同载荷分布下深沟球轴承的特性研究

刘艺哲

（重庆交通大学 交通运输学院，重庆  400041）

摘 要：本文针对深沟球轴承的载荷分布和径向位移，利用有限元软件 ABAQUS对其进行数值模拟分析，并在此基础上对深沟球轴承的奇压与偶压两种载荷分布情况进行研究。通过对模拟结果的分析比较，发现在同等条件下，径向载荷对深沟球轴承的刚度影响较大。通过有限元计算和分析后得出：当外载荷相等时，奇压形式下轴承整体的接触应力大于偶压形式下轴承整体的接触应力;奇压形式下轴承的径向位移小于偶压形式产生的位移。

关  键  词：深沟球轴承；载荷分布；径向位移的；有限元分析

引言

深沟球轴承在径向载荷下的承载能力大，可以承受很大的载荷。深沟球轴承在受径向荷载作用下，其内球体和滚轮的接触力在某种程度上决定了其承载能力。本文对深沟球轴承在奇压和偶压加载下的变形特性进行了有限元数值模拟计算。在 SOLIDWORKS中对轴承进行三维建模，再用 ABAQUS对该轴承进行有限元静力学仿真，比较了“奇压”和“偶压”两种载荷情况下轴承整体的的应力分布和位移，并将结果与赫兹接触理论的静力学分析结果进行了比较。

1 深沟球轴承有限元模型的建立

1.1轴承的几何尺寸

表 1 轴承尺寸参数

Table 1 Bearing Dimension Parameters

本文利用 ABAQUS软件对深沟球轴承进行有限元分析，首先根据轴承所具有的特点，利用SOLIDWORKS软件建立了相应的三维模型。表 1 为深沟球轴承实体的尺寸参数。然后将建立好的模型导入ABAQUS中进行网格划分和计算等处理工作，对其施加不同载荷，使其达到所要求的数值精度水平。

本文采用有限元分析软件对深沟球轴承进行数值模拟仿真计算时，使用载荷作用时间为0.5s。

1.2单元类型与材料属性

按照表1中的几何尺寸，建立了一个深沟球轴承的三维有限元模型。轴心与整个笛卡尔坐标系 Z轴一致，而 XY面是轴心的对称面，而 XY面是整个笛卡尔坐标系中的轴心坐标系 Z轴。8节点线性六面体单元，利用映射法对轴承模型进行了网格划分，并对滚动滚动体进行了网格的细化。在此基础上，共建立了68778个模型单元和120178个节点

1.3边界条件与加载方式

针对轴承的实际应用，提出了一个完全约束的外圈，以描述其对轴承的约束；由于其结构特性，其工作时基本上不会受到力矩的影响，而与轴连接的轴承内环与支承平面基本上保持平行，从而限制了轴承内环的一面 Z向偏移，从而避免了载荷时发生内环的倾角；在滚动元件和内环的接触线上，对各结点进行圆周约束，以模拟保持架对滚动体的约束。为了仿真轴和内环之间的干涉匹配，将X方向和 Y方向的自由度耦合到轴承内环的各个节点上，使得它们在同一方向上的运动。

在“奇压”和“偶压”两种载荷下，按轴承中的滚动体的位置，分别对其进行了静力响应分析。其中奇压力是指在加载线方向上有一个滚动体，而偶加力是在两个滚动体之间的加载作用线的方向[2]。

2结果与讨论

图1和图2给出了直角坐标系下，轴承在奇压和偶压载荷作用下的应力分布云图。从应力云图中可看出，外载荷越大，滚子与内圈滚道接触中心的接触应力越大。结果表明，在相同外力作用下，奇压载荷作用下的滚动体与内环滚道的接触中心产生了较大的接触应力。 

图1施加奇压的轴承应力云图

图2施加偶压的轴承应力云图

图 3和图4为奇压与偶压两种加载形式下，轴承的径向位移云图。由此可见，在相等载荷作用时，奇压形式下轴承的径向位移小于偶压形式下产生的径向位移。

图3施加奇压的径向位移云图

图4施加偶压的径向位移云图

根据轴承径向位移和轴承刚度的关系，可以得出，奇压形式下轴承的径向刚度大于偶压形式下的径向刚度，并且载荷越大刚度值差距越大，这必然会对其动态特性有较大的影响。

3对比验证

图5给出了基于赫兹接触理论的静力学方法[3]与有限元法计算得到的轴承径向载荷与径向位移的对比情况。可以看出，当外载荷较小时，两种方法计算得到的轴承径向位移相差不大，但随着外载荷的增加，静力学方法计算得到的轴承位移明显小于有限元法的计算结果。

图5 轴承位移与载荷的关系

4总结

利用有限元方法，比较了“奇压”和“偶压”在深沟球轴承工作时的应力分布和径向位移情况，并扩展了不同径向位移下轴承的刚度特征。最后将结果与赫兹接触理论的静力计算结果相比较。

当外载荷相等时，奇压形式下轴承整体的接触应力大于偶压形式下轴承整体的接触应力;奇压形式下轴承的径向位移小于偶压形式产生的位移。

参考文献

[1] 唐云冰，高德平，罗贵火．航空发动机滚动轴承的载荷分布研究［J］．航空学报，2006，27(6):1117－1121．

[2] 刘宁，张刚，高刚，等．基于ANSYS的圆柱滚子轴承有限元应力分析［J］．轴承，2006(12):8－10．

[3]马士垚，张进国．滚动轴承接触问题的有限元分析［J］．机械设计与制造，2010(9):8－9．