材料属性对货车轴承密封罩过盈联接的影响

张秀娟，罗双椿，刘 雨

(大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028)*

0 引言

货车轴承密封罩压装属于过盈联接，具有传递力大和可靠性好等优点［1］，目前对于密封罩过盈联接的研究主要为压装过盈量的研究［2-3］，认为实际压装过盈量小于规定值是过盈联接不可靠产生脱罩的主要原因.另外，密封罩的加工工艺不合理以及检测手段落后使得其加工工艺尺寸不合理，从而使得过盈联接不可靠［4-5］.拆卸、压装及扭矩检测过程中存在问题也是过盈联接不可靠的一个因素［6］，对于密封罩的材料研究较少，主要成果为对密封橡胶材料使用寿命的研究［7］.从实际生产实践可知，对于密封罩过盈联接的影响因素较多，而在设计过程中选择适宜的零件材料对于过盈联接的深入研究和应用有着十分重要的作用.因此，本文以352226X2-2RZ型货车轴承密封罩压装过程为例，采用有限元分析软件ABAQUS对其压装过程进行弹塑性分析，从材料属性(摩擦系数、弹性模量和泊松比)对密封罩过盈联接时产生的应力、应变的影响规律进行总结归纳，为密封罩过盈联接设计选材提供一定的理论依据.

1 应力应变有限元分析结果

采用ABAQUS有限元分析软件对352226X2-2RZ型货车轴承密封罩压装过程进行弹塑性分析，其模型和网格划分如图1所示.轴承密封罩的材料属性为弹塑性材料，密封罩采用的材料大多是08Al，其抗拉强度为335 MPa，屈服极限为210 MPa，杨氏模量为 207 GPa，泊松比为 0.3［3］，材料的应力—应变曲线如图2所示.轴承外圈设置为弹性材料，选用轴承合金钢，杨氏模量为210 GPa，泊松比为0.25.其约束条件为:将轴承外圈底端全部约束，对密封罩仅保留Y方向的平动自由度.密封罩和轴承外圈的两个接触面设定为库伦摩擦接触的有限滑移问题，允许两个接触面之间可以有相对滑动，摩擦系数取为0.2.有限元分析模型通过设置密封罩在分析步中移动参数来实现密封罩位移载荷的定义，将接触分析步和作用分析步中密封罩边界条件中的Y方向位移值分别设为-0.01和-12.31，即在接触分析步和作用分析步中密封罩分别下压0.01和12.31 mm.

图1 有限元分析模型

图2 08AL的应力－应变曲线

2 材料属性对密封罩过盈联接的影响

2.1 摩擦系数

过盈联接是借助摩擦力实现扭矩和轴向力的传递［5］，如果摩擦系数取值比实际值偏大，则实际所能承载的扭矩或者轴向力就偏小，工作中两者易发生相对滑动.反之，若摩擦系数取值偏小，则导致装配难度增大，并使非联接部位产生较大的应力集中.因此，选用准确的摩擦系数对于保证过盈联接可靠性是十分重要的［2］.本文首先在压装深度为0.2 mm，选择了四个摩擦系数，分别为0.15、0.20、0.25、0.30.通过这四个摩擦系数来分析其对于整个压装过程的应力和应变影响规律.图3为密封罩在不同阶段，不同摩擦系数条件下的塑性应变、最大接触应力、最大等效应力变化曲线图，其具体数值如表1所示.

图3 有限元分析结果(不同摩擦系数)

表1 密封罩应力应变数据

由图3可知:①摩擦系数的增加导致密封罩塑性应变、最大接触应力及最大等效应力都会增加.这主要是由于摩擦系数的提升使摩擦力增加，摩擦力的增加使密封罩与轴承外圈之间产生更加剧烈的挤压，导致密封罩产生更大的塑性变形，与轴承外圈之间的接触应力更大，因而等效应力也有所增加;②当摩擦系数从0.10升至0.15时，材料所产生的塑性应变变化幅度还相对较小，而当摩擦系数继续升高时，塑性应变的变化量大幅度上升，密封罩产生强烈的塑性变形;③当摩擦系数从0.20升至0.25时，密封罩所受最大接触应力变化幅度反而小于摩擦系数从0.15升至0.20时，这是因为摩擦系数从0.20升至0.25时，密封罩受到的塑性变形比摩擦系数从0.15升至0.20时更大，材料发生大幅度塑性变形，使密封罩与轴承外圈之间的接触压力减小，从而导致其最大接触应力的变化幅度减小;④摩擦系数由0.15升至0.20时，最大等效应力变化幅度最大，其余各段变化幅度相差不大.其主要原因是在摩擦系数为0.15～0.20时，密封罩所产生的塑性应变相对较小，当摩擦系数由0.20升至0.25时，塑性应变持续增加，材料产生强烈的塑性变形，导致密封罩与轴承外圈之间的接触力下降，同时也使得最大等效应力变化幅度降低;而在摩擦系数为0.10～0.15范围时，由摩擦系数所引起的摩擦力较小，对于接触压力的影响力也相对较低，因此在该阶段最大等效应力变化的幅值也小于摩擦系数为0.15～0.20时段;⑤摩擦系数对材料塑性应变的影响远远大于其对材料最大等效应力、最大接触应力的影响，摩擦系数对材料最大等效应力和最大接触应力的影响相似.当摩擦系数高于0.15时，其塑性应变、最大接触应力以及最大等效应力都有较大幅度的上升，这就容易导致材料产生应力集中、密封罩的使用寿命大大降低.

2.2 弹性模量

弹性模量是工程材料的重要参数，表示材料在受外力作用下时产生单位弹性变形所需要的应力.弹性模量越大，则材料刚度越大;反之越小，则材料刚度越小.若弹性模量选择过小，则会使材料刚度过小，无法传递所需要的载荷.若弹性模量选择过大，就会使得联接件刚性过大，在使用时承受了更大的应力，会降低其使用寿命，造成不必要的损失，因此选择合适的材料在密封罩过盈联接过程当中至关重要.

本文在其它条件均不变的条件下，选取泊松比为0.30时的压装过程进行分析，分别选取弹性模量180、210、240、270GPa对过盈状态进行分析.图4为密封罩在不同弹性模量条件下的塑性应变、最大接触应力和最大等效应力变化曲线图，其具体分析数据如表2所示.

图4 有限元分析结果(不同弹性模量)

表2 密封罩应力应变数据

由图4可知:①随着弹性模量的增加，材料所产生的塑性变形的增幅也越来越大，这是因为弹性模量的增加会导致密封罩与轴承外圈之间载荷的增加，接触面接触压力增加，伴随着摩擦力的增加，两者共同作用，使得塑性变形增幅加大，在弹性模量240～270 GPa时达到最大值;②弹性模量的增加会使密封罩上的最大接触应力增加，主要是因为材料弹性模量的增大会增加材料的刚度，使得密封罩与轴承外圈之间的载荷增加.从上述数据变化可知，每当弹性模量有所上升时，密封罩所受的最大接触应力增幅大致相同，最大为7%，最小则为4%，可知弹性模量的变化对最大接触应力的影响较为平稳;③随着弹性模量的增加，密封罩上最大等效应力增加幅度慢慢减小，这主要是因为弹性模量的变化会影响到密封罩与和轴承外圈接触应力的变化，同时还会影响密封罩上的塑性变形，由于弹性模量越大，密封罩上产生的塑性变形越大.密封罩与外圈之间接触压力的增加会使得最大等效应力上升，而塑性变形又会降低最大等效应力，两者共同作用，导致密封罩上最大等效应力增幅下降.但是同时发现，密封罩上最大等效应力增量之差均小于10 MPa，可知密封罩由弹性模量所引起的最大等效应力变化较为平稳.

2.3 泊松比

泊松比则是材料横向应变和纵向应变比值的负数，反映了材料的横向变形程度.在弹性范围内，泊松比一般为常数，但在超越弹性范围之后，泊松比则会随着应力的增大而增大，直到泊松比为0.5为止.本文在压装深度不变的情况下，选取过盈量为0.30 mm时进行讨论，首先将弹性模量设置为 210 GPa，而后分别取泊松比 0.26、0.28、0.30、0.32、0.34 等五个数值进行弹塑性模拟.图5为密封罩在不同泊松比条件下的塑性应变、最大接触应力和最大等效应力变化曲线图，其具体分析数据如表3所示.

图5 有限元分析结果(不同泊松比)

表3 密封罩应力应变数据

随着泊松比的增加，材料的塑性应变、最大接触应力以及最大等效应力的数值均增加，但是可以看出，泊松比对于密封罩过盈联接的影响较弱.密封罩的塑性应变、最大接触应力、最大等效应力的数值变化都较为微弱，其应力应变数值变化幅度大致相同.故泊松比并不是货车轴承密封罩过盈联接应力应变的主要影响因素.

3 结论

通过上述分析可知，摩擦系数和弹性模量是密封罩过盈联接的主要影响因素，而泊松比对于密封罩过盈联接影响较小.此外，摩擦系数对密封罩过盈联接的塑性变形影响最大，对最大等效应力和最大接触应力有相似的影响规律;弹性模量对密封罩过盈联接的最大接触应力影响最大，而其对于最大等效应力的影响规律和摩擦系数对于最大等效应力的影响规律大致相同.

［1］刘宝庆.过盈联接摩擦系数的理论及试验研究［D］.大连:大连理工大学，2008.

［2］左红磊.352226X2-2RZ型轴承密封罩脱出原因及改进措施［J］.铁道车辆.2013，51(7):44-44.

［3］王闯.货车滚动轴承密封罩脱出的原因及防控措施［J］.哈尔滨铁道科技，2014(4):38-40.

［4］汤太平，程迪.352226X2-2RZ型轴承密封罩脱出原因分析与改进［J］.机车车辆工艺，2014(4):45-46.

［5］孙传印.货车滚动轴承密封罩脱落原因分析及建议［J］.铁道车辆，2011:49(11):40-43.

［6］陈振刚，胡禀梅，倪宪报.铁路货车轴承密封罩脱出问题原因探讨及对策［J］.机车车辆工艺，2013(2):47-48.

［7］魏海军.轴承密封橡胶材料使用寿命的试验研究［D］.大连:大连理工大学，2013.