重型卡车轮毂轴承有限元仿真分析.pdf

摘 要 I论文题目：论文题目： 重型卡车轮毂轴承有限元仿真分析 专 业：专 业： 机械制造及其自动化 研 究 生：研 究 生： 张 磊 指导教师：指导教师： 王玉金，夏新涛 摘 要 摘 要 由于滚子轴承在受载时，滚子端部往往会出现应力集中现象，重载时，应力集中更加显著端部的应力集中是影响轴承使用寿命的重要因素为了降低和消除滚子端部的应力集中，人们采用了滚子和滚道母线修型的设计方法，即凸度设计 本课题所研究的是重载卡车轮毂轴承（圆锥滚子轴承 30222/P6）在高载荷下的性能圆锥滚子轴承凸度分析的本质是滚子和内外圈滚道接触应力的求解从数学和力学的角度来讲，接触问题特别是非线性接触问题的求解是极其复杂的本课题以基于有限元理论的大型分析软件 ANSYS 为工具，针对圆锥滚子轴承30222/P6 的受载状况，建立不同凸度的滚子和内外圈滚道接触的三维有限元分析模型。

利用 ANSYS 分析求解带有凸度的滚子和内外圈滚道的接触应力、应变分布，绘制应力、应变分布图根据多次的分析结果，最终确定圆锥滚子轴承30222/P6 滚子和滚道的最佳凸形和凸度量 通过分析不同方案的 ANSYS 分析求解结果，并经过大量的理论分析和疲劳试验验证最终我们可以得到以下的结论：1.滚子和内圈滚道的最佳凸型为改进的工程对数曲线，滚子的最佳凸度量为 8～10 微米，内圈滚道的最佳凸度量为10～12 微米这一凸度匹配既保证了滚子和滚道在不同载荷下的有效接触长度，又消除了“边缘效应”，使滚子和滚道的接触应力沿滚子和滚道方向分布比较均匀、合理2.在分析滚子和滚道的接触应力时，内圈大挡边有足够的强度，并且内圈大挡边对滚子和滚道的法向接触应力的影响不大，考虑内圈大挡边和不考虑内圈大挡边时，滚子和滚道的最大法向接触应力最大相差 78Mpa，占最大法向接触应力的 3.03％ 关 键 词：关 键 词：圆锥滚子轴承，凸度设计，有限元法，ANSYS，接触应力 论文类型：论文类型：应用基础研究 河南科技大学硕士学位论文 IISubject: Analysis on Hub Bearing of Heavy-loading Trucks by FEM Specialty: Mechanical Manufacture and Automation Name: Zhang Lei Supervisor: Wang Yu-jin, Xia Xin-tao ABSTRACT Stress is usually concentrated at the two ends of roller when rolling bearing is loaded, and especially over-loaded. Concentrating stress influences the using life of bearing as an important factor. In order to improve this situation, we can amend the generatix’s forms of roller and raceway. In this paper, the performance of hub bearing has been studied, this hub bearing (tapered roller bearing 30222/P6) is used on over-loading trucks. Crowning analysis of tapered roller bearing is a contact question essentially. In the view of mathematics and mechanics, contact question is a very complicated question, and especially for non-liner contact question. In this paper, for the loading situation of tapered roller bearing, I build some three-dimensional contact models of roller and raceway by using the finite element analysis software –ANSYS. I solve the normal contact stress and strain distribution of tapered rollers and raceways, these rollers and raceways have different crowning. By these analysis results, I find and ascertain the optimal crowning form and crowning value of roller and inside-raceway. Through the ANSYS analysis results of different schemes, and through much theory analysis and fatigue experiments, finally, I have these conclusions : 1. The optimal crowning form of roller and inside-raceway is an improved engineering logarithm curve, the optimal crowning value of roller is 8-10 µm, the optimal crowning value of inside-raceway is 10-12 µm. This scheme can ensure the effective contact length of roller and raceway in different loads, and remove “edge effect” as well., the contact stress distribution of roller and raceway is equipotent and reasonable. 2. When we analysis the contact stress of roller and raceway, the bigger rib of inside-roller meets intensity require well, and the rib’s effect to the maximum normal contact stress is not obvious. When we concern the rib’s effect and not, the maximum difference of normal contact stress is 87 Mpa, and is 3.03% of the maximum normal contact stress. 摘 要 IIIKEY WORDS：：tapered roller bearing, crowning design, Finite Element Method, ANSYS, contact stress Dissertation Type: applied basic research第 1 章 绪论 1第1章 绪论 第1章 绪论 1.1 本课题研究的内容和意义 本课题研究的内容和意义 汽车是现代生活中必不可少的一种交通工具，在越来越注重汽车行驶安全性能的今天，人们对汽车的要求也越来越高，在高速、高承载的情况下，为了在多么苛刻的条件下都能放心地运行，这就要求轴承不能出现问题，特别是汽车轮毂轴承不能出现问题。

因此，对于轴承，不仅要具有原有的功能，还要保证构件的强度和新的功能[1]这就要求我们对汽车轴承进行必要的优化设计 1.1.1 本课题研究的内容 本课题研究的内容 该课题是研究在高载荷下重型汽车轮毂轴承的性能和寿命，具体研究的是分析轴承在重载荷下滚子与内外圈滚道的接触状况，并确定圆锥滚子轴承30222/P6(如图 1-1）的滚子和内外圈滚道的最佳母线形式 图 1-1 圆锥滚子轴承 30222/P6 Fig. 1-1 Tapered roller bearing 30222/P6 利用大型有限元分析及仿真软件 ANSYS，对重载卡车轮毂轴承 30222/P6 进行有河南科技大学硕士学位论文 2限元仿真分析[2-3]针对圆锥滚子轴承 30222/P6 的受载状况，建立 30222/P6 带凸度滚子与内外圈滚道接触的三维有限元分析模型利用有限元分析软件ANSYS 分析计算带凸度圆锥滚子与带凸度滚道接触的接触区域的接触应力、应变分布，绘制应力、应变分布云图 根据多次的 ANSYS 分析求解结果，确定在额定动载荷下滚子与内外圈滚道的最佳凸度匹配（即滚子和滚道的最佳凸型和凸度量），并且基于上述分析，提出该轴承产品设计的改进方案。

1.1.2 本课题研究的意义 本课题研究的意义 近年来，随着汽车整体性能的日益提高和轴承行业竞争的加剧，用户对圆锥滚子轴承的寿命提出了更高的要求，这不仅涉及到圆锥滚子轴承的制造工艺和装配水平，还涉及到对圆锥滚子轴承的设计改进，而滚子凸度、滚子凸度和滚道凸度的匹配关系则是圆锥滚子轴承设计改进中的重点[4]对于带凸度滚子和滚道的接触状态，包括接触区尺寸和接触区的应力、应变分布，利用赫兹理论公式无法直接求解目前国内虽然对圆锥滚子轴承的设计进行过理论分析，但还没有形成比较系统、比较完善的分析方法该项目的进行对提高圆锥滚子轴承设计、提高轴承的寿命以及对于我们提高对圆锥滚子轴承凸度设计、缩小我们在圆锥滚子轴承凸度设计上同国外的差距都有一定的意义 将有限元理论应用到轴承设计中，不仅可以从几何结构和实现轴承新功能的角度考虑轴承设计，还可以从轴承设计的强度和可靠性的角度来设计轴承此外，利用有限元理论进行轴承设计，还可以发现和解决试验中难以发现和解决的问题，以实现在短期内以低成本进行开发的目的基于有限元理论的大型分析软件――ANSYS，具有强大的前处理能力、加载求解能力和后处理能力，并且还具有良好的开放性。

利用 ANSYS 进行轴承的结构和性能分析，可以更快、更直接、更直观地分析轴承结构力学性能，从而为轴承的优化设计提供直接的依据 1.2 国内外研究现状 国内外研究现状 我国的汽车用滚子轴承基本上已实现了国产化，但其设计和制造水平与国外的差距还很大，国外大轴承公司设计生产的滚子轴承的试验寿命一般为设计寿命的 5～8 倍，而我国生产的滚子轴承其试验寿命一般为设计寿命的 3～5 倍，而圆锥滚子轴承的试验寿命则更低这和轴承的材料、热处理、加工工艺装备、润滑条件、密封状况、设计水平等诸多因素有关仅从设计角度来看，我国的汽车轴承特别是轮毂轴承的设计，其设计还停留在类比设计和仿真阶段，有限元分析设第 1 章 绪论 3计、可靠性设计。