双半内圈角接触球轴承有限元分析

赵 燕，公 平，徐 雷

（中航工业哈尔滨轴承有限公司 研发中心，黑龙江 哈尔滨 150025）

双半内圈角接触球轴承有限元分析

赵 燕，公 平，徐 雷

（中航工业哈尔滨轴承有限公司 研发中心，黑龙江 哈尔滨 150025）

在对双半内圈角接触球轴承进行合理的建模和网格划分后，通过PERMAS有限元软件对轴承接触应力进行有限元分析，了解该轴承应力分布状况，为轴承的性能分析提供了依据。

双半内圈角接触球轴承；接触应力；轴承性能；有限元分析

1 前言

有限元分析是利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟，并利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。

以某双半内圈角接触球轴承为例，该轴承外形结构尺寸为133mm×201mm×39mm，钢球直径为22.225mm,共20粒，轴承内圈、外圈及钢球材料均为M50钢，在工作载荷下通过PERMAS软件对钢球表面的接触应力进行有限元分析计算。

图1 轴承三维模型

图2 1/4轴承结构及有限元整体网格模型

2 有限元模型的建立

利用三维软件UG建立该轴承的三维模型，如图1所示。因轴承模型具有对称性，故取1/2模型导入前处理软件ANSA中，进行六面体网格划分，部分网格模型如图2所示。模型的基本单元尺寸为1.0mm，其中单元总数量为386,956，节点总数为424,553。

该轴承的内圈、外圈及钢球均采用低合金轴承钢M50材料，相关材料参数见表1所示。

表1 材料参数取值

3 约束与载荷施加

该轴承工作过程中，外圈与轴承座固连，内圈旋转，轴承同时承受径向载荷和轴向载荷的联合作用，因此，约束外圈最外表面单元节点的三个平动自由度方向；对轴承内圈的半圈表面进行MPC耦合，耦合点为轴承的中心点。在耦合点上加载4 000N集中力，模拟轴承径向载荷，方向为y轴正方向；同时在轴承内圈一侧表面上加5 500N轴向力，分布在每个节点上，方向为z轴正方向，轴承约束与载荷方向示意如图3所示。

图3 约束与载荷示意图

4 分析结果

建立有限元模型，约束外圈，在轴承的心部位置施加轴向（4 000N）和径向（5 500N）联合载荷后，对该轴承开展PERMAS软件分析计算，获得半圈轴承接触应力分布如图4所示。从图中可见位于最下端的钢球表面接触应力值最大，最大接触应力值为813.1MPa，位于中心两侧的钢球最大接触应力逐渐减小，最边缘两侧的钢球接触应力值为零，这是由于在分析过程中，未考虑工作游隙的原因。

由于受到轴向和径向联合载荷作用，钢球与套圈接触应力印痕分别位于钢球的两侧，与轴承中心位置呈现一定角度，钢球剖视接触应力分布如图5所示，轴承内、外圈接触印痕分布如图6和图7所示，内圈最大接触应力为729MPa，外圈最大接触应力为475MPa，可见钢球接触应力大于外圈接触应力，内圈接触应力大于外圈接触应力。

值得注意的是，本次分析属于静力学分析，未考虑高速效应和润滑油膜因素，分析结果符合轴承的力学规律，但由于计算机资源分析采用粗网格划分，因此接触应力值只能作为参考，若想进一步精确求解，还需细化网格划分。

图4 半圈钢球接触应力分析

图5 钢球剖视接触应力分布

图6 内圈接触应力分析

图7 外圈接触应力分析

5 结束语

通过PERMAS软件对轴承开展接触应力的有限元分析，可较好地掌握轴承零件的运动趋势和受力状态，可为轴承产品的设计验证和使用性能分析提供有利的参考。

（编辑：王立新）

Finite element analysis of angular contact ball bearing with double half inner ring

Zhao Yan,Gong Ping,Xu Lei

(Bearing R&D Center,AVIC Harbin BearingCo.,Ltd., Harbin 150025,China)

After carrying on reasonable modeling and grid division meshing for angular contact ball bearing with double half inner ring, finite element analysis of contact stress of bearing was carried on by PERMAS finite element software in order to understand the status of the bearing stress distribution and provide the basis for the bearing performance analysis.

angular contact ball bearing with double half inner ring; contact stress; bearing performance; finite element analysis

TH133.33+1

A

1672-4852（2015）03-0003-02

2015-08-10.

赵 燕（1974-），女，高级工程师.