GAC110S关节轴承的动载荷有限元分析

王瑞

（安徽安凯汽车股份有限公司，合肥230051）

GAC110S关节轴承的动载荷有限元分析

王瑞

（安徽安凯汽车股份有限公司，合肥230051）

建立斯太尔平衡轴专用的GAC 110S关节轴承有限元模型；分析计算轴承分别承受轴向、径向和轴径向复合载荷时，轴承内外圈接触表面的压力分布规律、压力与变形间的关系，以提高轴承的可靠性与安全性。

关节轴承；有限元模型；接触压力

汽车平衡轴关节轴承一般工作在低速重载的条件下，尽管有油脂润滑，但也难以形成油膜，因此，在不考虑润滑剂（但考虑摩擦）和零间隙的条件下，由关节轴承的动力学计算可知，其摆动速度与加速度均为10-2数量级，关节轴承的动载荷有限元分析可采用准静态模型，故利用有限元软件ANSYS对关节轴承内外圈应力分布、接触压力以及最大位移进行计算，为进一步实现该产品的优化设计提供了参考[1]。这不仅可以将产品的安全隐患消除在设计阶段，而且可以缩短设计周期，能够在保证设计要求的前提下提高产品的设计水平。本文对斯太尔平衡轴专用的GAC110S关节轴承进行有限元仿真分析[2]，在保持装配尺寸不变的条件下，通过改变关节轴承的球径尺寸来优化轴承所受最大拉应力（第一向主应力最大值）和最大压应力（第三向主应力），得到了静载荷条件下关节轴承球径尺寸的优化值，并考虑内圈球径尺寸变化对接触压力的影响[3]。

1 球面直径的优化原则

1）按第一强度理论校核，在动载荷不变的条件下，取轴承整体及摩擦接触面所受最大应力小的方案为优化方案。选择第一强度理论的原因：关节轴承由GCr15的热处理工艺为淬火加低温回火，组织是回火马氏体，为脆性材料，可选用第一强度理论与第二强度理论校核。由于第一强度理论形式简单，且不影响计算结果的比较；其次，许用应力计算时安全系数的选择，没有精密的方法，只能粗略计算。本项研究受动载荷有限元计算时，安全系数nk选取2.5～3.5。第一强度理论认为材料的破坏取决于绝对值最大的正应力，即S1≤[SL]或|S3|≤[SY]，式中，S1为第一向主应力；[SL]为许用抗拉强度；S3为第三向主应力；[SY]为许用抗压强度。

2）在最大压应力相当的情况下，比较接触面承受的最大应力，选取受最大应力小的方案为优化方案；如果球径变化，而所受最大应力变化不超过10%，则取原始尺寸为最优化方案，避免重新加工模、夹具而增加生产成本。

2 有限元模型及分析结果

分别对球径155mm和160mm的轴承进行分析，模型主要包括三个部分：轴承外圈、内圈及芯轴。芯轴与内圈属于过盈配合，故建模时将芯轴与内圈看成一体；外圈内表面与内圈外表面之间定义面对面的接触关系。由于润滑剂，选择摩擦系数为0.15。

2.1 有限元模型

2.1.1 材料物理参数

该轴承外圈和内圈材料为20CrMnTi和GCr15，平衡芯轴材料选用40Cr。材料的弹性模量和泊松比等参数见表1[4]。

表1 关节轴承材料特性参数

2.1.2 载荷工况及边界条件

此关节轴承主要承受径向载荷，故在芯轴轴线各节点施加均匀径向力，合力为260 kN[5]。

根据安装（图1）工况，对轴承外圈外表面1施加环向和径向约束，左侧面一部分施加轴向约束2；将轴承内圈右侧面一部分施加轴向约束3。

2.1.3 有限元网格

采用有限元前处理软件ANSA对轴承进行网格划分，采用ANSYS提供的空间实体单元SOLID185进行离散化。球径155mm的关节轴承（以下简称轴承155）整个结构共划分了198 766个实体单元，204 888个节点，有限元网格如图2所示。球径160mm的关节轴承（以下简称轴承160）整个结构共划分了202 284个实体单元，209 006个节点。

2.2 有限元分析结果

图3为轴承155整体Von Mises应力云图，标尺单位为MPa，最大Von Mises[6]应力值为144.174MPa，位于轴承外圈内表面与内圈外表面接触处的润滑油槽附近。由其第一向主应力云图可知，该轴承所受最大拉应力即第一向主应力最大值为52.617MPa，位于轴承外圈内表面与内圈外表面接触处。由其第三向主应力云图可知，该轴承所受最大压应力即第三向主应力绝对值的最大值为156.329MPa，位于轴承内圈轴向约束面边缘。由其整体矢量位移（以下简称位移）图可知，其最大位移为0.025 079 mm。

图4 为轴承155外圈Von Mises应力云图，标尺单位为MPa，最大Von Mises应力值为144.174MPa。由其外圈第一向主应力云图可知，轴承外圈所受最大拉应力即第一向主应力最大值为52.617MPa由其外圈第三向主应力云图可知，轴承外圈所受最大压应力即第三向主应力绝对值的最大值为150.057MPa。以上三种应力最大值均位于外圈内表面润滑油槽附近。

图5为轴承155内圈Von Mises应力云图，标尺单位为MPa，最大Von Mises应力值为106.566MPa。由其内圈第一向主应力云图可知，轴承内圈所受最大拉应力即第一向主应力最大值为38.347MPa。由其内圈第三向主应力云图可知，轴承内圈所受最大压应力即第三向主应力绝对值的最大值为156.329MPa。以上三种应力最大值均位于内圈轴向约束面边缘。

通过有限元分析结果还得知，球形接触面最大接触压力为213.17MPa。同样可分析160mm关节轴承的受力情况。两种球径关节轴承整体及内、外圈的计算结果最大值汇总见表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，工程师；主要从事平衡悬架研究工作。