机械轴承

热量及受力分析。

摘要：通过讨论轴承接触问题的性质，分析了深沟球轴承接触应力的计算方法，利用ＡＰＤＬ参数化语言建立深沟球轴承有限元模型，通过接触边界条件的处理，得到深沟球轴承内、外圈及滚动体的接触应力，仿真计算结果与赫兹理论解较好的吻合，表明有限元模型建立的正确性和边界条件施加的合理性，为滚动轴承的设计优化提供了科学依据。 关键词：深沟球轴承；热量分析；受力分析

一、 定义：

深沟球轴承优化设计，是指在给定的轴承外形尺寸的条件下，寻求合理的轴承内部结构尺寸，使轴承的承载能力、性能都达到最佳。（这是理想目标）

承载能力以其额定动负荷Cr最大来衡量。此时接触疲劳寿命最大。 不尽合理，轴承的工况不同，对性能要求也不一样，不一定非要接触疲劳寿命最长。例：家用电器用轴承，载荷小→疲劳寿命很长

一般以噪声寿命，又如：卡车轮毂轴承。以抗断裂为主要指标…… 主参数：Z，Dw，Dwp决定了Cr 的大小，称它们为主参数

2/31.8bmfoZDw Dw25.4mmCr 2/31.43.647bmfoZDw Dw>25.4mm式中 bm为材料系数

为载荷系数，它与Dw/Dwp值有关 此两值有标准可查。

为了使Cr最大，就是要选择一组合适的主参数，在满足一定外形尺寸的条件下，实现Cr最大。这使是一个有约束的优化问题。

二、 资料：

本文以6003N 深沟球轴承为例，轴承材料为G15轴承钢。

1.1 模型：

1.2 参数：

轴承型号 N 6003N 外形尺寸（mm） d 17 D 35 额定负荷（KN） 重量（kg） 0.04 转速 Rpm 16000 B Rsmin Cr Cor 10 0.3 6 3.25 深沟球轴承各参数之间的关系 1.3 约束：轴承外圈的外表面约束其所有自由度即可；约束球中性面赤道

线上所有节点的周向（ＵＹ）和轴向（ＵＺ）位移；将轴承圈体的侧面约束其ＵＺ 向的位移；径向节点施加径向力，其施加形式为径向力平均到直线每个节点上，直接在ＵＸ 方向加载即可；在整体笛卡尔Ｚ 轴施加实际角速度。

1.4 边界条件：空气温度 70

海水温度 44.5 空气对流系数 2.5 BTU/hr.f.海水对流系数 80 BTU/hr.f.

三、 受力分析

1.1 热量分析

1.2 受力分析

轴承接触问题的性质

球轴承工作时，通常是多个滚动体承受载荷，滚动体与内、外圈沟道的接触

方式是点接触，接触区域小，接触应力大，在运转过程中，轴承内、外圈及滚动体在接触区内要发生塑性变形，产生残余应力。

轴承载荷的分布及接触应力计算

外部的径向载荷为 ，底部最大滚动体承载的载荷为Q ， 为滚动体之间的夹角，根据Stribeck的推导，与Q 之间的关系为：

通过比较各个钢球之间载荷的关系，得到外部径向载荷与最大承载滚动体荷之间的关系：

式中，Z 为滚动体个数；a为承载时的接触角。当轴承游隙为零，且不考虑转速所引起的离心力效应的情况下，轴承的接触角为0时，滚动体最大载荷Q 与径向载荷之间的关系为：

在径向载荷的作用下接触，当载荷为0时，接触为一点，当载荷逐渐增大时，接触区域变化成椭圆。根据赫兹理论［10］，深沟球轴承的接触应力为：

(4)

式中，、分别为赫兹接触系数；为主曲率和。

1.3 网格划分后的滚动轴承实体模型

四、 结语

通过有限元法对径向深沟球轴承热量分析和接触应力进行分析，掌握定义初始温度场的操作，可以定义均匀温度场初始条件，了解非均匀温度场初始条件的

定义方法；掌握瞬态温度分析选项的设定，并理解各选项对分析的影响，可以根据模型的复杂程度和载荷的特性设置合理的参数。掌握根据时刻查看温度场的操作，了解ANSYS 热分析结果提取的注意事项，尽量避免出现结果线性插值方式提取结果；掌握查看特定节点温度随时间变化曲线的操作，可以提取任意感兴趣的节点温度-时间变化曲线，了解热传导对结构局部温度的影响。可以方便、直观地获得内、外圈和滚动体不同部位接触应力大小和云图，得出轴承最大接触应力和最大等效应力位置，能够为滚动轴承的设计和优化提供参考和依据。

综上，深沟球轴承有限元分析结果与洛阳轴承研究所开发的深沟球轴承创新设计系统优化设计结果相符合，与赫兹理论计算也接近，进而说明ANSYS 有限元分析软件能够解决轴承的接触问题。有限元分析结果与理论结果的一致性证明了对有限元分析模型的简化及边界条件的假设是合理的，同时也表明将有限元分析手段引入其它型号轴承的优化设计是可行的。