球軸承可靠性設(shè)計(jì)方法技術(shù)

球軸承可靠性設(shè)計(jì)方法，其基于下述前提：(一)認(rèn)為滾動軸承滾動體與內(nèi)外圈滾道的接觸滿足赫茲接觸理論，滾動體與軸承內(nèi)外圈滾道的接觸類型為點(diǎn)接觸或/和線接觸；(二)球軸承可靠性設(shè)計(jì)方法滿足下述要求：首先建立深溝球軸承的柔性多體接觸動力學(xué)模型，仿真分析深溝球軸承轉(zhuǎn)動過程，得到各部件的角速度和動態(tài)接觸沖擊應(yīng)力的變化規(guī)律，并以此為基礎(chǔ)完成球軸承的可靠性設(shè)計(jì)。本發(fā)明專利技術(shù)為球軸承可靠性設(shè)計(jì)和疲勞壽命研究提供了參考方法。本發(fā)明專利技術(shù)的相關(guān)原理可以推廣到所有可移植的相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域。其具有潛在的較為巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會價(jià)值。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及球軸承的的可靠性設(shè)計(jì)和相關(guān)應(yīng)用
，特別提供了一種球軸承可靠性設(shè)計(jì)方法。
技術(shù)介紹
滾動軸承作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時(shí)，其滾動體與滾道發(fā)生接觸，產(chǎn)生各種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動與摩擦，軸承的剛度、承載能力甚至使用壽命主要取決于軸承的工況條件以及滾動體與滾道之間的接觸性質(zhì)，所以對滾動軸承接觸動力學(xué)問題的研究已經(jīng)成為科研人員重要的研究方向(參見文獻(xiàn)：熊小晉，張曉鹍，等.滾動軸承接觸的非線性有限元分析[J].測試技術(shù)學(xué)報(bào)，2009，23(1)：23-27.)。此外，球軸承的可靠性設(shè)計(jì)一直存在一些亟待解決的技術(shù)問題，缺乏比較實(shí)用且有效的原理性方案，人們迫切希望獲得一種技術(shù)效果優(yōu)良的球軸承可靠性設(shè)計(jì)方法。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是提供一種技術(shù)效果優(yōu)良的球軸承可靠性設(shè)計(jì)方法。本專利技術(shù)提供了一種球軸承可靠性設(shè)計(jì)方法，其特征在于：(一)所述球軸承可靠性設(shè)計(jì)方法基于下述前提：認(rèn)為滾動軸承滾動體與內(nèi)外圈滾道的接觸滿足赫茲(Hertz)接觸理論，滾動體與軸承內(nèi)外圈滾道的接觸類型為點(diǎn)接觸或/和線接觸，其中球軸承滾動體和內(nèi)外圈之間屬于點(diǎn)接觸，圓柱和圓錐滾子軸承接觸屬于線接觸；赫茲(Hertz)接觸理論的相關(guān)具體地要求如下：①球軸承中，滾動體和內(nèi)外圈滾道之間接觸屬于點(diǎn)接觸，在載荷Q的作用下，接觸點(diǎn)逐漸擴(kuò)展為橢圓形接觸面，在橢圓的中心點(diǎn)處，應(yīng)力最大為σmax，橢圓的長軸長為2a，短軸長為2b，如圖1所示，在接觸區(qū)里的應(yīng)力分布，如圖2所示。由赫茲接觸理論知：式中，Q為滾動體和內(nèi)外圈滾道的接觸載荷；a為接觸橢圓區(qū)長半軸長；b為短半軸長；σmax為接觸最大應(yīng)力；δ為變形量(又稱趨近量)；當(dāng)量彈性模量E′表示為：式中，E1，E2，μ1，μ2分別為滾動體和內(nèi)外圈滾道的彈性模量和泊松比；②主曲率和∑ρ為滾動體和滾道接觸處的主曲率之和，即：∑ρ＝ρ11+ρ12+ρ21+ρ22(6)ma和mb分別為長軸和短軸系數(shù)，分別表示為：式中，k為橢圓率，e為橢圓偏心率，K(e)和L(e)分別為與橢圓偏心率有關(guān)的第一和二類積分：橢圓偏心率e與橢圓率的關(guān)系為：主曲率函數(shù)F(ρ)表示為：同時(shí)也表示為：若軸承各部分幾何尺寸已知，由式(13)-式(17)和式(11)能夠求得主曲率函數(shù)F(ρ)；再將式(9)、(10)代入(12)求得k，再由式(10)能夠求得e，借此能夠衡量軸承剛度；③在滾動體與內(nèi)外圈接觸載荷Q的作用下，由式(7)、(8)能分別求長半軸和短半軸系數(shù)；由式(1)和(4)能求接觸區(qū)最大接觸應(yīng)力σmax和趨近量δ；對于點(diǎn)接觸球軸承，其主曲率分別為：滾球：內(nèi)圈：外圈：式中，Db為滾球直徑；α為接觸角；D為外圈內(nèi)徑；d為內(nèi)圈外徑；dm為滾動體中心圓直徑；rin為內(nèi)滾道半徑；rou為外滾道半徑；以深溝球軸承為例，其主要幾何尺寸參數(shù)如圖3所示。(二)球軸承可靠性設(shè)計(jì)方法滿足下述要求：首先建立深溝球軸承的柔性多體接觸動力學(xué)模型，仿真分析深溝球軸承轉(zhuǎn)動過程，得到各部件的角速度和動態(tài)接觸沖擊應(yīng)力的變化規(guī)律，并以此為基礎(chǔ)完成球軸承的可靠性設(shè)計(jì)；軸承內(nèi)外圈滾道單元應(yīng)力主要頻率成分為滾動體的通過內(nèi)外圈頻率及其整數(shù)倍頻，說明內(nèi)外圈某一點(diǎn)的應(yīng)力會同時(shí)受到附近多個(gè)滾動體對滾道接觸應(yīng)力的影響，分析結(jié)果為球軸承可靠性設(shè)計(jì)和疲勞壽命研究提供了參考方法。所述球軸承可靠性設(shè)計(jì)方法，其特征在于：以變速器輸入軸前端深溝球軸承為對象，研究滾動軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中各部件的動力學(xué)特性，考慮鋼球、套圈滾道的結(jié)構(gòu)柔性變形和動態(tài)接觸關(guān)系，在Abaqus/Expicit中建立了深溝球軸承的柔性多體接觸動力學(xué)模型，分析深溝球軸承的動力學(xué)特性，得到各部件的角速度和動態(tài)接觸沖擊應(yīng)力的變化規(guī)律；將球軸承的保持架角速度、鋼球公轉(zhuǎn)角速度的仿真計(jì)算結(jié)果與理論值進(jìn)行對比，計(jì)算結(jié)果為球軸承動態(tài)設(shè)計(jì)和疲勞壽命提供參考方法，實(shí)現(xiàn)球軸承可靠性設(shè)計(jì)。仿真時(shí)間為0.05s，軸承的內(nèi)圈轉(zhuǎn)動2.5圈，通過仿真的結(jié)果動畫可以看到滾動體也隨內(nèi)圈的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，但是轉(zhuǎn)速要比內(nèi)圈轉(zhuǎn)速慢。所述球軸承可靠性設(shè)計(jì)方法，其特征在于：所述球軸承可靠性設(shè)計(jì)方法中，建立球軸承的柔性多體接觸動力學(xué)模型具體滿足下述要求：在實(shí)際的工作過程中，軸承裝配在軸上，為研究軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的動力學(xué)特性，在靜力學(xué)模型基礎(chǔ)上，增補(bǔ)保持架和一段軸的模型；整個(gè)模型共有4個(gè)部分，分別為軸承內(nèi)圈、軸承外圈、滾動體以及保持架；對7個(gè)滾動體進(jìn)行編號，如圖4所示；對模型中各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)編號，如圖5所示；節(jié)點(diǎn)1為外圈邊緣節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)2為內(nèi)圈邊緣節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)3為滾動體正面節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)4為滾動體側(cè)面節(jié)點(diǎn)；增加的保持架和軸承內(nèi)圈軸的材料屬性均為剛體，其密度和泊松比與軸承材料相同；將保持架視為剛體對于整個(gè)動力學(xué)計(jì)算并無太大的影響，軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中變形主要來自軸承內(nèi)外圈與滾動體的相互擠壓，且主要是徑向變形；而保持架主要是用于限制與約束軸承滾動體在軸承內(nèi)外圈的滾道內(nèi)運(yùn)動，且保持架與滾動體之間留有一定的間隙，對于軸承的變形影響較小；另外剛體的計(jì)算相對于彈性體能夠節(jié)省大量的時(shí)間，因此將保持架改為剛體；具體的材料屬性滿足下述要求(參見表2)：滾動體、軸承內(nèi)圈、軸承外圈的材料類型均為彈性體，彈性模量2.07×105MPa；保持架和軸承內(nèi)圈軸的材料類型為剛體；泊松比0.3，密度為7.85×10-9；選用C3D8R線性六面體單元對整個(gè)模型劃分網(wǎng)格，建立有限元模型如圖4所示；約束軸承外圈外表面的所有自由度，描述軸承座對軸承限制作用，在軸頸的剛體材料模型中設(shè)置約束其軸向的位移，使其在軸承平面內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)，不出現(xiàn)傾斜的現(xiàn)象，其他部件均不施加約束；根據(jù)軸承的工作情況，在軸承內(nèi)圈中心建立參考點(diǎn)RP-1，將參考點(diǎn)與剛體軸耦合，在參考點(diǎn)RP-1上施加徑向載荷-3000N(Y軸負(fù)方向)，施加軸向載荷-1000N(z軸負(fù)方向)，描述軸承受到的外載荷的作用；對軸頸施加通過其中軸線且沿z正方向的角速度，描述軸承工作時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)；將徑向載荷與轉(zhuǎn)速按先后順序施加到軸承上，起初對軸頸施加徑向載荷，徑向載荷和軸向載荷隨時(shí)間線性增加，0.01秒達(dá)到最大值，之后保持不變；轉(zhuǎn)速從0秒到0.05秒均以314.16r/s保持恒定轉(zhuǎn)動，同時(shí)預(yù)定義滾動體和保持架的初速度116.9rad/s，預(yù)定義內(nèi)圈初速度314.16rad/s；將轉(zhuǎn)速與徑向載荷均施加在軸頸上，符合軸承工作時(shí)的實(shí)際受載形式，計(jì)算結(jié)果更加接近于真實(shí)情況。所述球軸承可靠性設(shè)計(jì)方法，其特征在于：所述球軸承可靠性設(shè)計(jì)方法還滿足下述要求：軸承內(nèi)外圈滾道單元應(yīng)力主要頻率成分為滾動體的通過內(nèi)外圈頻率及其整數(shù)倍頻，說明內(nèi)外圈某一點(diǎn)的應(yīng)力會同時(shí)受到附近多個(gè)滾動體對滾道接觸應(yīng)力的影響，分析結(jié)果為球軸承可靠性設(shè)計(jì)和疲勞壽命研究提供了參考方法。所述球軸承可靠性設(shè)計(jì)方法，其特征在于：所述球軸承可靠性設(shè)計(jì)方法具體滿足下述要求：所述球軸承可靠性設(shè)計(jì)方法中，先建立球軸承的柔性多體接觸動力學(xué)模型具體滿足下述要求：在實(shí)際的工作過程中，軸承裝配在軸上，為研究軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的動力學(xué)特性，在靜力學(xué)模型基礎(chǔ)上，增補(bǔ)保持架和一段軸的模型，如圖4、圖5所示；整個(gè)模型共有4個(gè)部分，分別為軸承內(nèi)圈、軸承外圈、滾動體以及保持架；對7個(gè)滾動體進(jìn)行編號，對模型中各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)編號；節(jié)點(diǎn)1為外圈邊緣節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)2為內(nèi)圈邊緣節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)3為滾動體正面節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)4為滾動體側(cè)面節(jié)點(diǎn)；由本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
球軸承可靠性設(shè)計(jì)方法，其特征在于：(一)所述球軸承可靠性設(shè)計(jì)方法基于下述前提：認(rèn)為滾動軸承滾動體與內(nèi)外圈滾道的接觸滿足赫茲接觸理論，滾動體與軸承內(nèi)外圈滾道的接觸類型為點(diǎn)接觸或/和線接觸；赫茲接觸理論的相關(guān)具體地要求如下：①球軸承中，滾動體和內(nèi)外圈滾道之間接觸屬于點(diǎn)接觸，在載荷Q的作用下，接觸點(diǎn)逐漸擴(kuò)展為橢圓形接觸面，在橢圓的中心點(diǎn)處，應(yīng)力最大為σmax，橢圓的長軸長為2a，短軸長為2b，由赫茲接觸理論知：σmax=3Q2πab---(1)]]>a=ma3QE′Σρ3---(2)]]>b=mb3QE′Σρ3---(3)]]>δ=2K(e)ma18(3E′)2Q2Σρ3---(4)]]>式中，Q為滾動體和內(nèi)外圈滾道的接觸載荷；a為接觸橢圓區(qū)長半軸長；b為短半軸長；σmax為接觸最大應(yīng)力；δ為變形量；當(dāng)量彈性模量E′表示為：1E′=12(1-μ12E1+1-μ22E2)---(5)]]>式中，E1，E2，μ1，μ2分別為滾動體和內(nèi)外圈滾道的彈性模量和泊松比；②主曲率和∑ρ為滾動體和滾道接觸處的主曲率之和，即：∑ρ＝ρ11+ρ12+ρ21+ρ22?????????(6)ma和mb分別為長軸和短軸系數(shù)，分別表示為：ma=2L(e)πk23---(7)]]>mb=2L(e)kπ3---(8)]]>式中，k為橢圓率，e為橢圓偏心率，K(e)和L(e)分別為與橢圓偏心率有關(guān)的第一和二類積分：橢圓偏心率e與橢圓率的關(guān)系為：e=1-k2---(10)]]>主曲率函數(shù)F(ρ)表示為：F(ρ)=|(ρ11-ρ12)+(ρ21-ρ22)|Σρ---(11)]]>同時(shí)也表示為：F(ρ)=(1+k2)L(e)-2k2K(e)(1-k2)L(e)---(12)]]>若軸承各部分幾何尺寸已知，由式(13)?式(17)和式(11)能夠求得主曲率函數(shù)F(ρ)；再將式(9)、(10)代入(12)求得k，再由式(10)能夠求得e，借此能夠衡量軸承剛度；③在滾動體與內(nèi)外圈接觸載荷Q的作用下，由式(7)、(8)能分別求長半軸和短半軸系數(shù)；由式(1)和(4)能求接觸區(qū)最大接觸應(yīng)力σmax和趨近量δ；對于點(diǎn)接觸球軸承，其主曲率分別為：滾球：ρ11=ρ12=2Db---(13)]]>內(nèi)圈：ρ21=2Db(γ1-γ)---(14)]]>ρ22=-1fmDb---(15)]]>外圈：ρ21=-1Db(γ1-γ)---(16)]]>ρ22=-1fouDb---(17)]]>式中，Db為滾球直徑；γ=Dbcosαdm;dm=D+d2;fn=rinDb;fou=rouDb;]]>α為接觸角；D為外圈內(nèi)徑；d為內(nèi)圈外徑；dm為滾動體中心圓直徑；rm為內(nèi)滾道半徑；rou為外滾道半徑；(二)球軸承可靠性設(shè)計(jì)方法滿足下述要求：首先建立深溝球軸承的柔性多體接觸動力學(xué)模型，仿真分析深溝球軸承轉(zhuǎn)動過程，得到各部件的角速度和動態(tài)接觸沖擊應(yīng)力的變化規(guī)律，并以此為基礎(chǔ)完成球軸承的可靠性設(shè)計(jì)。...

【技術(shù)特征摘要】
1.球軸承可靠性設(shè)計(jì)方法，其特征在于：(一)所述球軸承可靠性設(shè)計(jì)方法基于下述前提：認(rèn)為滾動軸承滾動體與內(nèi)外圈滾道的接觸滿足赫茲接觸理論，滾動體與軸承內(nèi)外圈滾道的接觸類型為點(diǎn)接觸或/和線接觸；赫茲接觸理論的相關(guān)具體地要求如下：①球軸承中，滾動體和內(nèi)外圈滾道之間接觸屬于點(diǎn)接觸，在載荷Q的作用下，接觸點(diǎn)逐漸擴(kuò)展為橢圓形接觸面，在橢圓的中心點(diǎn)處，應(yīng)力最大為σmax，橢圓的長軸長為2a，短軸長為2b，由赫茲接觸理論知：σmax=3Q2πab---(1)]]>a=ma3QE′Σρ3---(2)]]>b=mb3QE′Σρ3---(3)]]>δ=2K(e)ma18(3E′)2Q2Σρ3---(4)]]>式中，Q為滾動體和內(nèi)外圈滾道的接觸載荷；a為接觸橢圓區(qū)長半軸長；b為短半軸長；σmax為接觸最大應(yīng)力；δ為變形量；當(dāng)量彈性模量E′表示為：1E′=12(1-μ12E1+1-μ22E2)---(5)]]>式中，E1，E2，μ1，μ2分別為滾動體和內(nèi)外圈滾道的彈性模量和泊松比；②主曲率和∑ρ為滾動體和滾道接觸處的主曲率之和，即：∑ρ＝ρ11+ρ12+ρ21+ρ22(6)ma和mb分別為長軸和短軸系數(shù)，分別表示為：ma=2L(e)πk23---(7)]]>mb=2L(e)kπ3---(8)]]>式中，k為橢圓率，e為橢圓偏心率，K(e)和L(e)分別為與橢圓偏心率有關(guān)的第一和二類積分：橢圓偏心率e與橢圓率的關(guān)系為：e=1-k2---(10)]]>主曲率函數(shù)F(ρ)表示為：F(ρ)=|(ρ11-ρ12)+(ρ21-ρ22)|Σρ---(11)]]>同時(shí)也表示為：F(ρ)=(1+k2)L(e)-2k2K(e)(1-k2)L(e)---(12)]]>若軸承各部分幾何尺寸已知，由式(13)-式(17)和式(11)能夠求得主曲率函數(shù)F(ρ)；再將式(9)、(10)代入(12)求得k，再由式(10)能夠求得e，借此能夠衡量軸承剛度；③在滾動體與內(nèi)外圈接觸載荷Q的作用下，由式(7)、(8)能分別求長半軸和短半軸系數(shù)；由式(1)和(4)能求接觸區(qū)最大接觸應(yīng)力σmax和趨近量δ；對于點(diǎn)接觸球軸承，其主曲率分別為：滾球：ρ11=ρ12=2Db---(13)]]>內(nèi)圈：ρ21=2Db(γ1-γ)---(14)]]>ρ22=-1fmDb---(15)]]>外圈：ρ21=-1Db(γ1-γ)---(16)]]>ρ22=-1fouDb---(17)]]>式中，Db為滾球直徑；γ=Dbcosαdm;dm=D+d2;fn=rinDb;fou=rouDb;]]>α為接觸角；D為外圈內(nèi)徑；d為內(nèi)圈外徑；dm為滾動體中心圓直徑；rm為內(nèi)滾道半徑；rou為外滾道半徑；(二)球軸承可靠性設(shè)計(jì)方法滿足下述要求：首先建立深溝球軸承的柔性多體接觸動力學(xué)模型，仿真分析深溝球軸承轉(zhuǎn)動過程，得到各部件的角速度和動態(tài)接觸沖擊應(yīng)力的變化規(guī)律，并以此為基礎(chǔ)完成球軸承的可靠性設(shè)計(jì)。2.按照權(quán)利要求1所述球軸承可靠性設(shè)計(jì)方法，其特征在于：研究滾動軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中各部件的動力學(xué)特性，考慮鋼球、套圈滾道的結(jié)構(gòu)柔性變形和動態(tài)接觸關(guān)系，建立球軸承的柔性多體接觸動力學(xué)模型，分析深溝球軸承的動力學(xué)特性，得到各部件的角速度和動態(tài)接觸沖擊應(yīng)力的變化規(guī)律；將球軸承的保持架角...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：梁明軒，
申請(專利權(quán))人：梁明軒，
類型：發(fā)明
國別省市：浙江;33