基于ANSYS Workbench的軸承凸緣退刀槽分析計算

楊天玲，王想連，姜土根

（1.西子奧的斯電梯有限公司，浙江 杭州 310019；2.中國聯(lián)合工程公司，浙江 杭州 310012）

0 引言

退刀槽的作用，一是加工時便于退刀，并保證加工精度；二是保證裝配時相鄰零件的端面靠緊；三是避免刀具三面受力，容易損壞。對于一般的機(jī)械零件來說，退刀槽尺寸不是一個很重要的參數(shù)。但對于薄壁軸承凸緣外圈來說，退刀槽尺寸相對是比較關(guān)鍵的，由于退刀槽的尺寸小，在壓裝過程中很容易出現(xiàn)裂紋，并發(fā)生斷裂。因此，本文采用有限元方法對軸承退刀槽處容易斷裂的現(xiàn)象進(jìn)行分析，研究軸承凸緣外圈退刀槽尺寸公差對軸承凸緣強(qiáng)度的影響。

1 軸承凸緣理論計算

軸承凸緣外圈與鏈板裝配采用過盈配合，通過液壓裝置進(jìn)行壓裝。退刀槽尺寸如圖1所示。

圖1 軸承凸緣退刀槽尺寸圖

根據(jù)材料力學(xué)厚壁圓筒理論，過盈配合時徑向壓強(qiáng)為p，其計算公式為：

其中：Δ 為最大過盈量；d 為配合的公稱直徑，d＝30 mm；E1、E2分別為被包容件與包容件的彈性模量，E1＝E2＝206 000 MPa；μ1、μ2 分別為被包容件和包容件材料的泊松比，μ1＝μ2＝0.3；c1、c2分別為被包容件和包容件的剛性系數(shù)；d1為被包容件的內(nèi)徑，d1＝25.05mm；d2為包容件的外徑，d2＝45mm。

2 軸承凸緣模擬計算

2.1 軸承凸緣有限元模型的建立及材料的定義

將Pro／E 軟件中建立的三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中進(jìn)行力學(xué)分析。首先對模型的材料進(jìn)行定義，軸承凸緣可以視為被包容件，材料為100Cr6。

2.2 模型載荷施加及網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是有限元前處理的主要工作，也是有限元分析的關(guān)鍵工作，網(wǎng)格劃分的質(zhì)量和優(yōu)劣將對計算結(jié)果產(chǎn)生相當(dāng)大的影響。ANSYS Workbench的網(wǎng)格劃分是較智能化的，有多種控制方法，它與ANSYS的部分命令效果相似。本文中采用了尺寸控制方法和分網(wǎng)控制方法。尺寸控制方法選擇Element Sizing 選項(xiàng)，應(yīng)用合適的單元尺寸大小，其中相同大小或長度的體或線段應(yīng)用相同的單元尺寸；分網(wǎng)方法控制選擇Hex Dominant，并對退刀槽區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化，細(xì)化程度為2。這樣得到可計算的有限元網(wǎng)格模型，如圖2所示。

3 各工況的模型應(yīng)力分析

分別改變退刀槽尺寸，得到一系列最大應(yīng)力值，如表1所示。

圖2 計算模型及細(xì)化區(qū)域模型

表1 有限元方法計算得到的應(yīng)力值

以上有限元計算結(jié)果是基于線彈性理論，假設(shè)軸承凸緣是線彈性材料。圖3給出了退刀槽長度和傾斜角度對軸承凸緣應(yīng)力的影響。圖4為工況1的應(yīng)力云圖。其他工況應(yīng)力分布基本相同，不再列出。

由圖3退刀槽長度及傾斜角度對應(yīng)力的影響曲線可以看出：退刀槽長度尺寸對應(yīng)力影響更大，退刀槽退刀傾斜角度的影響較小，但兩者之間也有相互聯(lián)系。實(shí)際上在退刀槽處會產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)塑性區(qū)域逐漸變大到材料無法承受時會發(fā)生斷裂。

4 結(jié)論

本文采用ANSYS Workbench 對軸承凸緣退刀槽進(jìn)行了結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，提高了設(shè)計效率，并可減小不必要的加工損失。退刀槽尺寸既要滿足加工工藝需求，又要考慮到對材料的強(qiáng)度削弱不至于引起裂紋或斷裂，因此在加工時需要嚴(yán)格參照圖紙尺寸，合理控制公差，才能滿足使用需求。

圖3 退刀槽長度及傾斜角度對應(yīng)力的影響曲線

圖4 工況1應(yīng)力云圖

［1］ 劉鴻文.材料力學(xué)［M］.第4版.北京：高等教育出版社，2004.