GAC110S關(guān)節(jié)軸承的動(dòng)載荷有限元分析

王瑞

（安徽安凱汽車股份有限公司，合肥230051）

GAC110S關(guān)節(jié)軸承的動(dòng)載荷有限元分析

王瑞

（安徽安凱汽車股份有限公司，合肥230051）

建立斯太爾平衡軸專用的GAC 110S關(guān)節(jié)軸承有限元模型；分析計(jì)算軸承分別承受軸向、徑向和軸徑向復(fù)合載荷時(shí)，軸承內(nèi)外圈接觸表面的壓力分布規(guī)律、壓力與變形間的關(guān)系，以提高軸承的可靠性與安全性。

關(guān)節(jié)軸承；有限元模型；接觸壓力

汽車平衡軸關(guān)節(jié)軸承一般工作在低速重載的條件下，盡管有油脂潤(rùn)滑，但也難以形成油膜，因此，在不考慮潤(rùn)滑劑（但考慮摩擦）和零間隙的條件下，由關(guān)節(jié)軸承的動(dòng)力學(xué)計(jì)算可知，其擺動(dòng)速度與加速度均為10-2數(shù)量級(jí)，關(guān)節(jié)軸承的動(dòng)載荷有限元分析可采用準(zhǔn)靜態(tài)模型，故利用有限元軟件ANSYS對(duì)關(guān)節(jié)軸承內(nèi)外圈應(yīng)力分布、接觸壓力以及最大位移進(jìn)行計(jì)算，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)該產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考[1]。這不僅可以將產(chǎn)品的安全隱患消除在設(shè)計(jì)階段，而且可以縮短設(shè)計(jì)周期，能夠在保證設(shè)計(jì)要求的前提下提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)水平。本文對(duì)斯太爾平衡軸專用的GAC110S關(guān)節(jié)軸承進(jìn)行有限元仿真分析[2]，在保持裝配尺寸不變的條件下，通過(guò)改變關(guān)節(jié)軸承的球徑尺寸來(lái)優(yōu)化軸承所受最大拉應(yīng)力（第一向主應(yīng)力最大值）和最大壓應(yīng)力（第三向主應(yīng)力），得到了靜載荷條件下關(guān)節(jié)軸承球徑尺寸的優(yōu)化值，并考慮內(nèi)圈球徑尺寸變化對(duì)接觸壓力的影響[3]。

1 球面直徑的優(yōu)化原則

1）按第一強(qiáng)度理論校核，在動(dòng)載荷不變的條件下，取軸承整體及摩擦接觸面所受最大應(yīng)力小的方案為優(yōu)化方案。選擇第一強(qiáng)度理論的原因：關(guān)節(jié)軸承由GCr15的熱處理工藝為淬火加低溫回火，組織是回火馬氏體，為脆性材料，可選用第一強(qiáng)度理論與第二強(qiáng)度理論校核。由于第一強(qiáng)度理論形式簡(jiǎn)單，且不影響計(jì)算結(jié)果的比較；其次，許用應(yīng)力計(jì)算時(shí)安全系數(shù)的選擇，沒(méi)有精密的方法，只能粗略計(jì)算。本項(xiàng)研究受動(dòng)載荷有限元計(jì)算時(shí)，安全系數(shù)nk選取2.5～3.5。第一強(qiáng)度理論認(rèn)為材料的破壞取決于絕對(duì)值最大的正應(yīng)力，即S1≤[SL]或|S3|≤[SY]，式中，S1為第一向主應(yīng)力；[SL]為許用抗拉強(qiáng)度；S3為第三向主應(yīng)力；[SY]為許用抗壓強(qiáng)度。

2）在最大壓應(yīng)力相當(dāng)?shù)那闆r下，比較接觸面承受的最大應(yīng)力，選取受最大應(yīng)力小的方案為優(yōu)化方案；如果球徑變化，而所受最大應(yīng)力變化不超過(guò)10%，則取原始尺寸為最優(yōu)化方案，避免重新加工模、夾具而增加生產(chǎn)成本。

2 有限元模型及分析結(jié)果

分別對(duì)球徑155mm和160mm的軸承進(jìn)行分析，模型主要包括三個(gè)部分：軸承外圈、內(nèi)圈及芯軸。芯軸與內(nèi)圈屬于過(guò)盈配合，故建模時(shí)將芯軸與內(nèi)圈看成一體；外圈內(nèi)表面與內(nèi)圈外表面之間定義面對(duì)面的接觸關(guān)系。由于潤(rùn)滑劑，選擇摩擦系數(shù)為0.15。

2.1 有限元模型

2.1.1 材料物理參數(shù)

該軸承外圈和內(nèi)圈材料為20CrMnTi和GCr15，平衡芯軸材料選用40Cr。材料的彈性模量和泊松比等參數(shù)見(jiàn)表1[4]。

表1 關(guān)節(jié)軸承材料特性參數(shù)

2.1.2 載荷工況及邊界條件

此關(guān)節(jié)軸承主要承受徑向載荷，故在芯軸軸線各節(jié)點(diǎn)施加均勻徑向力，合力為260 kN[5]。

根據(jù)安裝（圖1）工況，對(duì)軸承外圈外表面1施加環(huán)向和徑向約束，左側(cè)面一部分施加軸向約束2；將軸承內(nèi)圈右側(cè)面一部分施加軸向約束3。

2.1.3 有限元網(wǎng)格

采用有限元前處理軟件ANSA對(duì)軸承進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用ANSYS提供的空間實(shí)體單元SOLID185進(jìn)行離散化。球徑155mm的關(guān)節(jié)軸承（以下簡(jiǎn)稱軸承155）整個(gè)結(jié)構(gòu)共劃分了198 766個(gè)實(shí)體單元，204 888個(gè)節(jié)點(diǎn)，有限元網(wǎng)格如圖2所示。球徑160mm的關(guān)節(jié)軸承（以下簡(jiǎn)稱軸承160）整個(gè)結(jié)構(gòu)共劃分了202 284個(gè)實(shí)體單元，209 006個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.2 有限元分析結(jié)果

圖3為軸承155整體Von Mises應(yīng)力云圖，標(biāo)尺單位為MPa，最大Von Mises[6]應(yīng)力值為144.174MPa，位于軸承外圈內(nèi)表面與內(nèi)圈外表面接觸處的潤(rùn)滑油槽附近。由其第一向主應(yīng)力云圖可知，該軸承所受最大拉應(yīng)力即第一向主應(yīng)力最大值為52.617MPa，位于軸承外圈內(nèi)表面與內(nèi)圈外表面接觸處。由其第三向主應(yīng)力云圖可知，該軸承所受最大壓應(yīng)力即第三向主應(yīng)力絕對(duì)值的最大值為156.329MPa，位于軸承內(nèi)圈軸向約束面邊緣。由其整體矢量位移（以下簡(jiǎn)稱位移）圖可知，其最大位移為0.025 079 mm。

圖4 為軸承155外圈Von Mises應(yīng)力云圖，標(biāo)尺單位為MPa，最大Von Mises應(yīng)力值為144.174MPa。由其外圈第一向主應(yīng)力云圖可知，軸承外圈所受最大拉應(yīng)力即第一向主應(yīng)力最大值為52.617MPa由其外圈第三向主應(yīng)力云圖可知，軸承外圈所受最大壓應(yīng)力即第三向主應(yīng)力絕對(duì)值的最大值為150.057MPa。以上三種應(yīng)力最大值均位于外圈內(nèi)表面潤(rùn)滑油槽附近。

圖5為軸承155內(nèi)圈Von Mises應(yīng)力云圖，標(biāo)尺單位為MPa，最大Von Mises應(yīng)力值為106.566MPa。由其內(nèi)圈第一向主應(yīng)力云圖可知，軸承內(nèi)圈所受最大拉應(yīng)力即第一向主應(yīng)力最大值為38.347MPa。由其內(nèi)圈第三向主應(yīng)力云圖可知，軸承內(nèi)圈所受最大壓應(yīng)力即第三向主應(yīng)力絕對(duì)值的最大值為156.329MPa。以上三種應(yīng)力最大值均位于內(nèi)圈軸向約束面邊緣。

通過(guò)有限元分析結(jié)果還得知，球形接觸面最大接觸壓力為213.17MPa。同樣可分析160mm關(guān)節(jié)軸承的受力情況。兩種球徑關(guān)節(jié)軸承整體及內(nèi)、外圈的計(jì)算結(jié)果最大值匯總見(jiàn)表2。

Finite Element Analysisof Dynam ic Load ofGAC110SSphericalPlain Bearing

Wang Rui
（AnhuiAnkaiAutomobile Co.,Ltd,Hefei 230051,China）

The author establishes the finite elementmodel of spherical plain bearing.He calculates the pressure distribution on its inner and outer contactsurfacesaswellas the relationship between pressureand deformation under the various load cases ofaxial force,radial force and comp lex loading respectively.This target is to enhance both of reliabilityand safetyof thebearing．

sphericalplain bearing;finiteelementmodel;contactpressure

U469.4；U 664.21

B

1006-3331（2014）02-0039-02

王瑞（1983-），男，工程師；主要從事平衡懸架研究工作。