基于ANSYS Workbench的轴承压装过程有限元分析*

范景峰，黄双成，梅二召，薛笑运，汤小宁

（1. 河南应用技术职业学院机电工程学院， 郑州 450042；2. 郑州机械研究所新型钎焊材料与技术国家重点实验室， 郑州 450001）

0 引言

减速器是汽车传动系中减小转速、增大扭矩的主要部件，减速器中轴承座承受由轴承传递而来的齿轮啮合力，轴承座刚度、强度、疲劳寿命对减速器有重要影响，需要重点分析。孙丽名等[1]进行压装过程求解分析，得出压装力-位移（FP－x）的分段拟合方程和高次拟合方程以及压装力-位移曲线。林巨广等[2]分析了不同参数对轴承压装的影响。姜荣飞等[3]分析了不同过盈量、不同轴承和壳体间摩擦因数对压装力的影响。现有文献大多数集中于研究轴承压装过程中压装力与位移的关系，不同压装工艺参数对压装力的影响，而很少涉及到轴承压装过程中，轴承座壁厚对压装力的影响，以及压装过程中不同轴承座壁厚的应力、应变情况，因此对不同轴承座壁厚下，压装力的变化以及轴承座自身应力、应变的研究具有重要意义。然而轴承压装过程对轴承座的刚度、强度、以及疲劳寿命有较大影响，轴承座壁厚较小时，轴承在压装过程中可能受到较大轴向冲击后产生相对位移；如果轴承座壁厚较大，则轴承在压装过程中由于压装力过大容易造成轴承座表面疲劳失效。

为了分析轴承座受径向载荷作用下内部应力与应变的分布，利用有限元软件ANSYS Workbench 对轴承压装过程中不同轴承座壁厚进行模拟分析，并根据模拟结果得出了压装力-时间仿真曲线图，同时得出轴承座内部应力与应变的分布，为轴承座的设计和轴承压装过程提供了参考依据。

1 轴承压装过程有限元模型

有限元分析中，几何模型是各种物理信息的载体也是有限元分析的对象，创建几何模型是有限元分析必不可少的一步。在有限元模型的建立中包括：创建几何模型、定义材料属性、定义边界条件和施加约束、选择单元类型及划分单元网格等[4]。

1.1 创建几何模型

本文采用三维软件Solidworks 建立轴承和轴承座装配模型。为了有利于进行有限元的单元划分，在不影响仿真精度的情况下， 对其进行了合理简化，由于要分析压装过程中轴承座壁厚对压装力-时间曲线的影响，以及轴承座内部应力、应变的分布，设置轴承座为柔性体。另外，由于轴承座外圈部分的结构近似圆周均匀分布，模型是对称件，为了节约分析资源，简化分析量，提高分析效率，在分析时只选取几何模型的1/4 部分进行分析[5]，最终简化的几何模型如图1所示。

图1 简化的装配体三维模型

1.2 定义材料属性

在轴承压装过程中，由于轴承外圈和轴承座孔面经历弹塑性变形阶段，因此，需要给出材料的弹塑性属性，如表1所示。

表1 装配体材料性能

为了研究轴承座壁厚在轴承压装过程中的影响，而且轴承外圈的刚度比轴承座大很多，所以，为了便于分析，把轴承外圈设置为离散型刚体。由于轴承外圈为刚体，在ANSYS中不需对刚体赋予材料属性，因此，只需要对轴承座进行材料属性的赋予。

1.3 定义边界条件与约束

边界条件是约束模型的某一部分保持固定不变（零位移）或移动规定量的位称（非零位移）。设置的边界条件将直接影响计算精度和结果的正确性，因此设置正确的边界条件是分析成功的基础；首先约束轴承座所有方向自由度，轴承外圈可以认为沿Z轴方向有20 mm 的位移，对轴承外圈施加沿Z轴方向的运动副约束条件，使轴承外圈在强制位移作用下与轴承座产生接触并直到压装完成，如图2所示。

图2 施加约束条件

1.4 选择单元类型及划分单元网格

ANSYS Workbench提供了120余种单元类型[6-7]，不同的单元类型适用于不同的分析对象。选择合适的单元类型是进行各类有限元分析的基础，在满足计算精度的同时可以有效地简化单元划分的难度。本文研究的是轴承座壁厚在轴承压装过程中的有限元分析，属于接触问题，因此在本文中最合适采用SOLID186三维6面体20节点单元类型[8]。

划分网格为有限元建模时最为关键的部分。为使计算比较精确并防止网格畸变，需对过盈配合面进行网格细分，网格密度越高，实际离散的结构越接近理想的结构，计算结果也越精确，对轴承座接触面区域设置高质量、小尺寸的网格。

在ANSYS Workbench模块中对轴承座釆用SOLID186单元类型网格划分[9-10]，单位长度约为4 mm。轴承座采用SOL⁃ID186 单元类型网格，网格尺寸从接触区域逐渐向周围过渡变大。最小边长为0.58 mm，最大边长为3.2 mm，整个模型26259个单元，如图3所示。

图3 轴承座网格划分

2 求解及结果分析

2.1 求解

在过盈量为0.05 mm，摩擦因数为0.15时，得出不同轴承座壁厚压装力-时间仿真曲线，如图4所示。

图4 压装力-时间仿真曲线

图中，四条仿真曲线的变化规律基本一致，轴承外圈与轴承座刚接触时，轴承外圈对轴承座有冲击作用，压装力先沿反方向增加后再减小，而后再增加，由于仿真分析过程中利用轴承座固定支承的反力来表示压装力，所以压装力的值出现负值；压装力随着轴承座壁厚的增加而升高，当两个零件开始接触到压装全部结束，随着时间和接触面积的增大，压装力也在不断增大，壁厚越大，同一时间压装力较大，压装曲线成一定斜率增加。

2.2 结果分析

在SolidWorks 中，通过增加轴承座配合面外圆柱面的直径，实现配合面壁厚的改变，在过盈量为0.05 mm，摩擦因数为0.15时，分别设定配合面壁厚为7.5 mm、10 mm、15 mm和20 mm进行仿真分析。

图5 所示为压装过程中不同轴承座壁厚接触面的应力、应变情况。图中可以看出，压装开始时，轴承外圈与轴承座刚接触时应变突然由0增加到最大，应力变化也较大，这是因为轴承座相对于轴承外圈有一个过盈量，要使轴承外圈压入到轴承座中，轴承外圈和轴承座之间必须有一定的压应力，两者刚接触时，轴承外圈对轴承座有一个冲击作用，在两者刚刚接触处产生边缘效应——应力集中，这是此处等效接触应力、应变较大的原因之一，这样容易产生零件塑性变形，随着轴承外圈不断的压入，位移和接触面积不断的增大，应力、应变逐渐减小。

图5 不同轴承座壁厚接触面的应力、应变情况

3 结束语

文章通过ANSYS软件仿真分析，研究了压装过程中不同轴承座壁厚的应力、应变以及压装力-时间曲线关系，得出如下结论。

（1）轴承压装过程中，应力集中总是在轴承外圈与轴承座刚刚接触处产生，压装力随着压装时间的变化而先增加再减小而后再增加的过程，轴承座的应力、应变变化是随着压装力的变化而变化的整体运动过程。

（2）通过最大等效接触应力分布图可以看出，轴承外圈在压装过程中，应力最大分布在轴承外圈与轴承座交界处的尖点部位。

（3）通过ANSYS仿真软件分析，得出不同轴承座壁厚在压装各个时间段的应力、应变云图；轴承压装过程中，其它条件相同情况下，轴承座壁厚越小，压装力就相对越小，但是应力集中较严重，轴承座越容易发生塑性变形。

综上所述，可以看出，在保证压装过程中轴承座不被破坏的情况下，设计轴承座时，应选择塑性较好的材料，同时设计轴承座壁厚尽可能小一些。