張秀娟，羅雙椿，劉 雨

(大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

0 引言

貨車軸承密封罩壓裝屬于過盈聯(lián)接，具有傳遞力大和可靠性好等優(yōu)點(diǎn)［1］，目前對(duì)于密封罩過盈聯(lián)接的研究主要為壓裝過盈量的研究［2-3］，認(rèn)為實(shí)際壓裝過盈量小于規(guī)定值是過盈聯(lián)接不可靠產(chǎn)生脫罩的主要原因.另外，密封罩的加工工藝不合理以及檢測(cè)手段落后使得其加工工藝尺寸不合理，從而使得過盈聯(lián)接不可靠［4-5］.拆卸、壓裝及扭矩檢測(cè)過程中存在問題也是過盈聯(lián)接不可靠的一個(gè)因素［6］，對(duì)于密封罩的材料研究較少，主要成果為對(duì)密封橡膠材料使用壽命的研究［7］.從實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐可知，對(duì)于密封罩過盈聯(lián)接的影響因素較多，而在設(shè)計(jì)過程中選擇適宜的零件材料對(duì)于過盈聯(lián)接的深入研究和應(yīng)用有著十分重要的作用.因此，本文以352226X2-2RZ型貨車軸承密封罩壓裝過程為例，采用有限元分析軟件ABAQUS對(duì)其壓裝過程進(jìn)行彈塑性分析，從材料屬性(摩擦系數(shù)、彈性模量和泊松比)對(duì)密封罩過盈聯(lián)接時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變的影響規(guī)律進(jìn)行總結(jié)歸納，為密封罩過盈聯(lián)接設(shè)計(jì)選材提供一定的理論依據(jù).

1 應(yīng)力應(yīng)變有限元分析結(jié)果

采用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)352226X2-2RZ型貨車軸承密封罩壓裝過程進(jìn)行彈塑性分析，其模型和網(wǎng)格劃分如圖1所示.軸承密封罩的材料屬性為彈塑性材料，密封罩采用的材料大多是08Al，其抗拉強(qiáng)度為335 MPa，屈服極限為210 MPa，楊氏模量為 207 GPa，泊松比為 0.3［3］，材料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖2所示.軸承外圈設(shè)置為彈性材料，選用軸承合金鋼，楊氏模量為210 GPa，泊松比為0.25.其約束條件為:將軸承外圈底端全部約束，對(duì)密封罩僅保留Y方向的平動(dòng)自由度.密封罩和軸承外圈的兩個(gè)接觸面設(shè)定為庫倫摩擦接觸的有限滑移問題，允許兩個(gè)接觸面之間可以有相對(duì)滑動(dòng)，摩擦系數(shù)取為0.2.有限元分析模型通過設(shè)置密封罩在分析步中移動(dòng)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)密封罩位移載荷的定義，將接觸分析步和作用分析步中密封罩邊界條件中的Y方向位移值分別設(shè)為-0.01和-12.31，即在接觸分析步和作用分析步中密封罩分別下壓0.01和12.31 mm.

圖1 有限元分析模型

圖2 08AL的應(yīng)力－應(yīng)變曲線

2 材料屬性對(duì)密封罩過盈聯(lián)接的影響

2.1 摩擦系數(shù)

過盈聯(lián)接是借助摩擦力實(shí)現(xiàn)扭矩和軸向力的傳遞［5］，如果摩擦系數(shù)取值比實(shí)際值偏大，則實(shí)際所能承載的扭矩或者軸向力就偏小，工作中兩者易發(fā)生相對(duì)滑動(dòng).反之，若摩擦系數(shù)取值偏小，則導(dǎo)致裝配難度增大，并使非聯(lián)接部位產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中.因此，選用準(zhǔn)確的摩擦系數(shù)對(duì)于保證過盈聯(lián)接可靠性是十分重要的［2］.本文首先在壓裝深度為0.2 mm，選擇了四個(gè)摩擦系數(shù)，分別為0.15、0.20、0.25、0.30.通過這四個(gè)摩擦系數(shù)來分析其對(duì)于整個(gè)壓裝過程的應(yīng)力和應(yīng)變影響規(guī)律.圖3為密封罩在不同階段，不同摩擦系數(shù)條件下的塑性應(yīng)變、最大接觸應(yīng)力、最大等效應(yīng)力變化曲線圖，其具體數(shù)值如表1所示.

圖3 有限元分析結(jié)果(不同摩擦系數(shù))

表1 密封罩應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)

由圖3可知:①摩擦系數(shù)的增加導(dǎo)致密封罩塑性應(yīng)變、最大接觸應(yīng)力及最大等效應(yīng)力都會(huì)增加.這主要是由于摩擦系數(shù)的提升使摩擦力增加，摩擦力的增加使密封罩與軸承外圈之間產(chǎn)生更加劇烈的擠壓，導(dǎo)致密封罩產(chǎn)生更大的塑性變形，與軸承外圈之間的接觸應(yīng)力更大，因而等效應(yīng)力也有所增加;②當(dāng)摩擦系數(shù)從0.10升至0.15時(shí)，材料所產(chǎn)生的塑性應(yīng)變變化幅度還相對(duì)較小，而當(dāng)摩擦系數(shù)繼續(xù)升高時(shí)，塑性應(yīng)變的變化量大幅度上升，密封罩產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形;③當(dāng)摩擦系數(shù)從0.20升至0.25時(shí)，密封罩所受最大接觸應(yīng)力變化幅度反而小于摩擦系數(shù)從0.15升至0.20時(shí)，這是因?yàn)槟Σ料禂?shù)從0.20升至0.25時(shí)，密封罩受到的塑性變形比摩擦系數(shù)從0.15升至0.20時(shí)更大，材料發(fā)生大幅度塑性變形，使密封罩與軸承外圈之間的接觸壓力減小，從而導(dǎo)致其最大接觸應(yīng)力的變化幅度減小;④摩擦系數(shù)由0.15升至0.20時(shí)，最大等效應(yīng)力變化幅度最大，其余各段變化幅度相差不大.其主要原因是在摩擦系數(shù)為0.15～0.20時(shí)，密封罩所產(chǎn)生的塑性應(yīng)變相對(duì)較小，當(dāng)摩擦系數(shù)由0.20升至0.25時(shí)，塑性應(yīng)變持續(xù)增加，材料產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形，導(dǎo)致密封罩與軸承外圈之間的接觸力下降，同時(shí)也使得最大等效應(yīng)力變化幅度降低;而在摩擦系數(shù)為0.10～0.15范圍時(shí)，由摩擦系數(shù)所引起的摩擦力較小，對(duì)于接觸壓力的影響力也相對(duì)較低，因此在該階段最大等效應(yīng)力變化的幅值也小于摩擦系數(shù)為0.15～0.20時(shí)段;⑤摩擦系數(shù)對(duì)材料塑性應(yīng)變的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其對(duì)材料最大等效應(yīng)力、最大接觸應(yīng)力的影響，摩擦系數(shù)對(duì)材料最大等效應(yīng)力和最大接觸應(yīng)力的影響相似.當(dāng)摩擦系數(shù)高于0.15時(shí)，其塑性應(yīng)變、最大接觸應(yīng)力以及最大等效應(yīng)力都有較大幅度的上升，這就容易導(dǎo)致材料產(chǎn)生應(yīng)力集中、密封罩的使用壽命大大降低.

2.2 彈性模量

彈性模量是工程材料的重要參數(shù)，表示材料在受外力作用下時(shí)產(chǎn)生單位彈性變形所需要的應(yīng)力.彈性模量越大，則材料剛度越大;反之越小，則材料剛度越小.若彈性模量選擇過小，則會(huì)使材料剛度過小，無法傳遞所需要的載荷.若彈性模量選擇過大，就會(huì)使得聯(lián)接件剛性過大，在使用時(shí)承受了更大的應(yīng)力，會(huì)降低其使用壽命，造成不必要的損失，因此選擇合適的材料在密封罩過盈聯(lián)接過程當(dāng)中至關(guān)重要.

本文在其它條件均不變的條件下，選取泊松比為0.30時(shí)的壓裝過程進(jìn)行分析，分別選取彈性模量180、210、240、270GPa對(duì)過盈狀態(tài)進(jìn)行分析.圖4為密封罩在不同彈性模量條件下的塑性應(yīng)變、最大接觸應(yīng)力和最大等效應(yīng)力變化曲線圖，其具體分析數(shù)據(jù)如表2所示.

圖4 有限元分析結(jié)果(不同彈性模量)

表2 密封罩應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)

由圖4可知:①隨著彈性模量的增加，材料所產(chǎn)生的塑性變形的增幅也越來越大，這是因?yàn)閺椥阅Ａ康脑黾訒?huì)導(dǎo)致密封罩與軸承外圈之間載荷的增加，接觸面接觸壓力增加，伴隨著摩擦力的增加，兩者共同作用，使得塑性變形增幅加大，在彈性模量240～270 GPa時(shí)達(dá)到最大值;②彈性模量的增加會(huì)使密封罩上的最大接觸應(yīng)力增加，主要是因?yàn)椴牧蠌椥阅Ａ康脑龃髸?huì)增加材料的剛度，使得密封罩與軸承外圈之間的載荷增加.從上述數(shù)據(jù)變化可知，每當(dāng)彈性模量有所上升時(shí)，密封罩所受的最大接觸應(yīng)力增幅大致相同，最大為7%，最小則為4%，可知彈性模量的變化對(duì)最大接觸應(yīng)力的影響較為平穩(wěn);③隨著彈性模量的增加，密封罩上最大等效應(yīng)力增加幅度慢慢減小，這主要是因?yàn)閺椥阅Ａ康淖兓瘯?huì)影響到密封罩與和軸承外圈接觸應(yīng)力的變化，同時(shí)還會(huì)影響密封罩上的塑性變形，由于彈性模量越大，密封罩上產(chǎn)生的塑性變形越大.密封罩與外圈之間接觸壓力的增加會(huì)使得最大等效應(yīng)力上升，而塑性變形又會(huì)降低最大等效應(yīng)力，兩者共同作用，導(dǎo)致密封罩上最大等效應(yīng)力增幅下降.但是同時(shí)發(fā)現(xiàn)，密封罩上最大等效應(yīng)力增量之差均小于10 MPa，可知密封罩由彈性模量所引起的最大等效應(yīng)力變化較為平穩(wěn).

2.3 泊松比

泊松比則是材料橫向應(yīng)變和縱向應(yīng)變比值的負(fù)數(shù)，反映了材料的橫向變形程度.在彈性范圍內(nèi)，泊松比一般為常數(shù)，但在超越彈性范圍之后，泊松比則會(huì)隨著應(yīng)力的增大而增大，直到泊松比為0.5為止.本文在壓裝深度不變的情況下，選取過盈量為0.30 mm時(shí)進(jìn)行討論，首先將彈性模量設(shè)置為 210 GPa，而后分別取泊松比 0.26、0.28、0.30、0.32、0.34 等五個(gè)數(shù)值進(jìn)行彈塑性模擬.圖5為密封罩在不同泊松比條件下的塑性應(yīng)變、最大接觸應(yīng)力和最大等效應(yīng)力變化曲線圖，其具體分析數(shù)據(jù)如表3所示.

圖5 有限元分析結(jié)果(不同泊松比)

表3 密封罩應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)

隨著泊松比的增加，材料的塑性應(yīng)變、最大接觸應(yīng)力以及最大等效應(yīng)力的數(shù)值均增加，但是可以看出，泊松比對(duì)于密封罩過盈聯(lián)接的影響較弱.密封罩的塑性應(yīng)變、最大接觸應(yīng)力、最大等效應(yīng)力的數(shù)值變化都較為微弱，其應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值變化幅度大致相同.故泊松比并不是貨車軸承密封罩過盈聯(lián)接應(yīng)力應(yīng)變的主要影響因素.

3 結(jié)論

通過上述分析可知，摩擦系數(shù)和彈性模量是密封罩過盈聯(lián)接的主要影響因素，而泊松比對(duì)于密封罩過盈聯(lián)接影響較小.此外，摩擦系數(shù)對(duì)密封罩過盈聯(lián)接的塑性變形影響最大，對(duì)最大等效應(yīng)力和最大接觸應(yīng)力有相似的影響規(guī)律;彈性模量對(duì)密封罩過盈聯(lián)接的最大接觸應(yīng)力影響最大，而其對(duì)于最大等效應(yīng)力的影響規(guī)律和摩擦系數(shù)對(duì)于最大等效應(yīng)力的影響規(guī)律大致相同.

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