路轨两用车旋转装置中转盘轴承的设计

张 浒，王彤宇

(长春理工大学 机电工程学院，长春 130022)

路轨两用车旋转装置中转盘轴承的设计

张 浒，王彤宇

(长春理工大学 机电工程学院，长春 130022)

路轨两用车中转盘轴承的设计不仅要满足轴承本身的强度要求，还要考虑工作环境等对尺寸、结构的限制。本文较为详细地通过轴承的静载荷计算设计出了满足要求的转盘轴承，利用制图软件SolidWorks建立了转盘轴承的三维模型，并通过有限元分析软件SolidWorks Simulation对转盘轴承进行了应力应变分析，分析结果验证了该转盘轴承的结构设计满足设计要求。

路轨两用车;转盘轴承;圆柱滚子;静态分析

转盘轴承是一种能够用于大型回转运动中同时承受较大的轴向载荷、径向载荷和倾覆力矩综合作用的特殊轴承。目前已广泛应用于建筑机械(如塔式起重机)、工程机械(如挖掘机)、军事装备(如坦克)等大、重型机械设备上。转盘轴承主要有单排四点接触球式、双排异径球式、单排交叉滚柱式、三排滚柱式等几种布置形式，这几种布置形式各有其优缺点。用于路轨两用车旋转装置中的转盘轴承，因其对轴承有特殊的结构尺寸要求，不能简单使用传统的轴承设计方法计算与校核。本文采用滚子最大接触应力作为转盘轴承的选型计算依据，并用有限元法对设计的转盘轴承进行应力分析。

1 转盘轴承的设计要求

路轨两用车的旋转装置位于汽车底盘中部，主要由底板、转盘轴承、顶板组成，主要实现通过旋转改变车辆车身方向的功能。旋转装置开始工作时，通过液压升降装置从车身降至地面固定，通过电机齿轮传动带动顶板旋转，从而使车辆完成旋转的动作。此装置的三维模型如图1所示。

由于旋转时旋转装置承受整个车体的重量，故受到的轴向重力非常大，并且由于旋转装置的回转中心与车辆的重心不重合，会产生较大的倾覆力矩。此外，汽车底盘高度有限使得旋转装置的轴向尺寸必须非常小。因此选用交叉圆柱滚子转盘轴承来满足上述功能。

图1 路轨两用车上的旋转装置

此装置工作条件为低速重载，轴向载荷Fa=77.371kN，径向载荷Fr=25.1kN，倾覆力矩M=69.88kN·m，要求转盘轴承的回转直径DPW=900mm，外齿轮模数m=8，齿数z1=130，轴承高度H=78mm。

2 转盘轴承的静载荷计算

2.1 接触载荷的计算

根据赫兹理论，当两接触体均为钢材且线接触时，按最大接触应力计算的滚动体接触载荷Q有以下关系式:

式中:Lwe为滚子有效长度，mm;σ为接触应力，MPa;E为弹性模量，MPa;ν为泊松比。

其中滚子轴承主曲率总和为:

式中:Dwe为滚子直径，mm;α为交叉滚子接触角。r采用外圈计算时取+，采用内圈计算时取-。

2.2 滚子的参数计算

由于交叉滚子轴承相邻滚子成90°交叉排列，载荷分布相当于两列滚子叠加，故分别设滚子为I列和II列，每列滚子数Z取轴承滚子总数N的1/2，即2Z=N。

对于第I、II列滚子，任一滚子受到的最大法向载荷为:

滚子参数 N、α、Le、Dwe根据以下两个条件确定:

(1)滚子最大载荷不得超过容许载荷Q0:

(2)为使两列滚子受力均匀，尽量达到应力均衡的理想状态，有如下关系:

根据设计要求，拟设计交叉圆柱滚子转盘轴承材料为42CrMo，其弹性模量E=2.07×105MPa，泊松比ν=0.3，接触应力 σmax=2700MPa。

将(1)、(4)、(5)式代入(6)、(7)式，(4)、(5)式代入(8)式，算出滚子各个参数的参考值，根据实际情况选择得到:

滚子直径Dwe=18mm，滚子长度Le=16mm，滚子接触角α=45°，滚子数量N=120个。

2.3 滚子静负荷安全系数的校核

由上述算式有Pmax=PImax=10623N＞PIImax，Q0=28587.4N，为此静负荷安全系数Ks有:

故设计的转盘轴承的静负荷能满足要求。

3 转盘轴承的有限元分析

3.1 建立转盘轴承三维模型

利用三维制图软件solidworks绘制交叉圆柱滚子转盘轴承如图3、图4、图5所示。

图3 转盘轴承三维模型

图4 轴承中滚子布置情况

图5 轴承装配剖视图(一侧)

3.2 导入模型进行分析

Ansys Workbench作为Ansys公司开发的新一代产品研发平台，不但继承了Ansys经典平台在有限元分析上的所有功能，而且融入了UG、Pro/E等CAD软件强大的几何建模功能，真正实现了集产品设计、仿真和优化功能于一身。此外，Ansys Workbench工作界面友好，图形显示直观，CAD模型导入后几何信息保存较完整。

鉴于无缝集成界面和设计仿真分析一体化的方案解决思路，我们在此选择Ansys Workbench进行转盘轴承的有限元分析。

由于整体模型结构复杂且对称，在应力分析前，为减小计算时间和工作量，提高分析精度，我们简化分析模型，忽略倒角、润滑孔、齿轮安装孔等对分析过程影响极小的因素。基于轴承实际的负荷分布不完全位于负荷分布角等于零的位置，随具体结构而异，与两相邻的螺钉孔距离有关，我们取轴承外圈两螺钉孔之间的模型进行分析，即取整体的1/6模型。有限元分析模型如下图6所示。

图6 模型的爆炸视图

3.3 分析过程及结果

软件自动完成基于曲率的网格划分，节点总数为7768个，单元总数为2063个，网格划分结果如图7所示。

图7 模型的有限元网格划分

轴承外圈通过螺栓孔固定，内圈承受径向力;上表面承受远程质量产生的轴向力和倾覆力矩;模型两截面施加圆柱对称约束;设置滚子与内外圈之间的接触为无穿透约束。分析结果如8图所示。

图8 转盘轴承接触应力图

3.4 结果分析

由前文我们算得滚子上受到的最大载荷为Pmax=10623N，代入公式(1)，求得圆柱滚子和内外圈产生的最大接触应力理论值为1646MPa，由上述有限元分析得到有限元分析值为-1592.8MPa(负号表示方向与所选方向相反)，两值误差为3.2%，并且接触应力小于材料所能承受的最大接触应力值σmax=2700MPa，说明设计出的转盘轴承满足接触应力要求。

4 结语

本文叙述了路轨两用车旋转装置中转盘轴承的设计要求，并考虑受力情况和工作环境通过计算对轴承进行了设计与校核。通过有限元软件Ansys Workbench对设计出的转盘轴承进行了静力学分析，结果表明该轴承满足接触应力要求。有限元法的计算结果为转盘轴承的结构设计提供了重要的数据和优化参考，提高了机械系统设计的可靠性。

［1］苏立樾.转盘轴承额定静负荷的计算方法［J］.轴承，1988(4):2-7.

［2］张善锺.精密仪器结构设计手册［M］.北京:机械工业出版社，1993.

［3］王思明.交叉滚子转盘轴承静载荷计算方法［J］.轴承，2009(11):1-3.

［4］机械设计手册(第三卷)［M］.北京:机械工业出版社，2009.

［5］张雪.交叉滚子转盘轴承的有限元分析［J］.轴承，2012(4):1-4.

［6］苏立樾.转盘轴承的选型计算［J］.轴承，2003(4):6-9.

［7］李云峰.转盘轴承静载荷承载曲线的精确计算［J］.机械设计与制造，2010(5):29-30.

［8］唐艳华.变位机用转盘轴承的载荷分析与仿真［J］.机械设计，2011(5):10-14.

Design of the Slewing Bearing in the Rotating Device of Road-Rail Vehicles

ZHANG Hu，WANG Tong-yu
(School of Mechatronical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China)

The design of the slewing bearing in road-rail vehicles is not only required to meet the strength of the bearing itself，but also to consider the restrictions of working environment on its size and structure.In this paper，a slewing bearing that meets the requirements is designed through detailed static load calculation of the bearing.Moreover，a three-dimensional model of the slewing bearing is built by cartographic software SolidWorks.The stress and strain analysis of the slewing bearing is also conducted by the finite element analysis software SolidWorks Simulation.The result shows that the structural design of the slewing bearing has met the requirements.

road-rail vehicle;slewing bearing;cylindrical roller;static analysis

U260.331+.2

A

1009-3907(2013)12-1568-04

2013-10-09

张浒(1989-)，男，湖北荆州人，硕士研究生，主要从事特种车辆的结构设计、仿真分析方面的研究。

王彤宇(1970-)，男，辽宁彰武人，教授，博士生导师，主要从事计算机辅助设计、虚拟样机等方面的研究。

责任编辑:

吴旭云