深沟球轴承跨尺度建模及非赫兹接触分析

摘要

深沟球轴承是汽车变速器中最为常用的承载部件，它在工作时既是运动连接件，又是载荷支撑件，运动和受力状态较为复杂。深沟球轴承的主要失效形式如接触疲劳、摩擦磨损、点蚀、剥落、胶合等都与轴承滚珠与滚道之间的接触状态紧密相关。因此，研究深沟球轴承滚珠与滚道之间的真实接触状态具有重要意义。　　本文通过编写MATLAB程序，并结合有限元前后处理器的特点，实现了一种既能提高求解精度又能节省计算机求解时间的有限元仿真方法，称之为跨尺度有限元建模方法，用以解决利用有限元方法仿真轴承滚珠滚道接触时计算精度和效率不可兼得的问题。并以两相同线弹性半球的三维赫兹点接触问题为例，证实了使用跨尺度有限元法求解三维接触问题的求解精度可满足一般工程实际的需求。　　本文的研究与工程实际紧密结合，以某三轴式变速器内部某深沟球轴承出现过早失效为研究背景，计算了该变速器在一挡与倒档等大扭矩极限工况下各支承轴承的外载荷，证实变速器内承载最严重的深沟球轴承正是该变速器台架试验中提前失效的轴承。　　随后，建立起承载最严重深沟球轴承的有限元模型。考虑径向与轴向载荷、游隙、保持架调心作用、轴承各部件弹性及重力等因素，使用真实弹塑性材料本构仿真分析了准静态条件下的轴承滚珠载荷分布情况。随后，以承载最大的滚珠与滚道为分析对象，利用跨尺度有限元建模方法对其进行静态条件下的高精度接触仿真，得到滚珠滚道的真实接触状态。进一步研究了材料本构、载荷大小和方向对轴承滚珠滚道真实接触状态的影响。　　最后，利用有限元法对极限工况下承载最危险轴承进行瞬态条件下的滚珠载荷分布仿真求解，得到瞬态条件下各滚珠承载大小及其变化规律，进而分析出轴承滚珠、滚道等效应力变化规律，为轴承失效原因分析提供依据。随后，利用跨尺度有限元法对瞬态条件下滚珠与外滚道之间的接触进行高精度仿真，获取其等效应力精确值，并基于此修正滚珠及内、外滚道应力变化规律。最后，综合滚珠、滚道应力变化规律和瞬态条件下跨尺度接触模型仿真结果分析出了轴承失效原因。

目录

1 绪 论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 轴承接触仿真国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 本文主要研究内容

2 轴承跨尺度有限元接触仿真方法

2.1.1 建模思想及流程

2.1.2 网格细化处理过程

2.1.3 位移边界处理方式及程序编制

2.2 轴承跨尺度有限元法精度校验

2.2.1 获取三维赫兹理论解

2.2.2 获取有限元数值解

2.2.3 结果分析

2.3 本章小结

3 某变速器轴承载荷分布分析

3.1极限工况下支撑轴承载荷分布分析

3.2 承载最危险轴承筛选

3.3准静态下轴承滚珠载荷分布分析

3.3.1 建立滚珠载荷分布分析有限元模型

3.3.3 边界条件

3.3.3 仿真结果及分析

3.4 本章小结

4 轴承滚珠滚道静态接触分析

4.1 位移边界处理

4.2 建立细网格有限元模型

4.3 细网格模型边界条件

4.4 仿真结果及分析

4.5 滚珠滚道接触状态影响因素分析

4.5.1 轴承外载荷的影响

4.5.2 材料本构的影响

4.6 本章小结

5 轴承瞬态接触分析

5.1 瞬态条件下轴承滚珠载荷分布分析

5.1.1 建立有限元模型

5.1.2 边界条件

5.1.3 仿真结果及分析

5.1.4 高速工况下轴承滚珠载荷分布分析

5.2 瞬态条件下轴承滚珠滚道接触分析

5.2.1 建立有限元模型

5.2.2 仿真结果及分析

5.3 轴承疲劳寿命分析

5.4 轴承失效原因分析

5.5 本章小结

6 全文总结与展望

6.1 工作总结及主要结论

①跨尺度有限元建模方法及精度验证

③滚珠滚道静态跨尺度接触仿真

④滚珠滚道瞬态跨尺度接触仿真

6.2 存在的问题及发展方向

②滚珠滚道静态接触分析结果还有进一步挖掘空间

③滚珠道瞬态接触仿真分析需要进一步发展

参考文献

附录

A 作者在攻读学位期间参与的科研项目

B 作者在攻读学位期间发表的学术论文

C 学位论文数据集

致谢