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        修形圓錐滾子軸承參數(shù)化建模方法研究

        2022-12-02 02:54:50趙文哲劉創(chuàng)來(lái)黃立趙海濤孟凡明
        機(jī)械科學(xué)與技術(shù) 2022年11期
        關(guān)鍵詞:修形保持架滾子

        趙文哲,劉創(chuàng)來(lái),黃立,趙海濤,孟凡明*,

        (1.重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400044;2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七〇五研究所,西安 710077)

        圓錐滾子軸承被廣泛應(yīng)用于鐵路車輛、精密機(jī)床、汽車工業(yè)等領(lǐng)域的核心部件中,為了延長(zhǎng)其使用壽命,工程應(yīng)用中多對(duì)滾子或滾道修形來(lái)降低滾子兩端的應(yīng)力集中,進(jìn)而提升其使用壽命[1]。目前常用的修形方式主要有圓弧修形、對(duì)數(shù)修形等[2]。滾子修形的概念被提出后,國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)數(shù)值分析的方法對(duì)修形滾子軸承的動(dòng)、靜力學(xué)性能進(jìn)行了較多的研究[3-5],但該方法往往無(wú)法考慮軸承系統(tǒng)的全部自由度。為克服這一問(wèn)題,近些年來(lái)部分學(xué)者開始借助一些成熟的商業(yè)軟件對(duì)圓錐滾子軸承的動(dòng)、靜力學(xué)性能進(jìn)行分析[6-8]。但在這個(gè)過(guò)程中軸承模型的創(chuàng)建和修改往往會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間與精力,為降低頻繁創(chuàng)建、更改和導(dǎo)入模型的工作強(qiáng)度,國(guó)內(nèi)一些研究人員參考現(xiàn)有其他機(jī)械結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模技術(shù)[9-11],通過(guò)對(duì)某些商業(yè)軟件進(jìn)行二次開發(fā),實(shí)現(xiàn)了在部分CAE 軟件內(nèi)部參數(shù)化創(chuàng)建或修改滾動(dòng)軸承三維模型。例如郭艷朋等[12]、張磊等[13]通過(guò)對(duì)有限元軟件APDL 進(jìn)行二次開發(fā),實(shí)現(xiàn)了圓柱滾子軸承、角接觸球軸承及深溝球軸承的參數(shù)化建模。胡廣存[14]、張軍飛[15]也在ADAMS中實(shí)現(xiàn)了無(wú)修形的圓錐滾子軸承參數(shù)化建模,較大程度減輕了三維模型建立、修改時(shí)的難度和工作強(qiáng)度。

        上述建模方法均無(wú)法實(shí)現(xiàn)軸承滾子修形結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建,并且未能精確考慮軸承各元件間的結(jié)構(gòu)關(guān)系。本文提出了一種參數(shù)化建立考慮修形的圓錐滾子軸承模型的新方法,把結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的修形圓錐滾子分為3部分,在不同的坐標(biāo)系下分別建模,簡(jiǎn)化了修形滾子的數(shù)學(xué)模型,并對(duì)ADAMS進(jìn)行二次開發(fā),實(shí)現(xiàn)了修形圓錐滾子軸承的參數(shù)化建模。此外,將該方法與在Creo中建模的方法進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了該建模方法的準(zhǔn)確性和快速性。

        1 圓錐滾子軸承基本結(jié)構(gòu)

        相對(duì)于其他類型的滾動(dòng)軸承,圓錐滾子軸承的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜,尺寸更多,各元件間的聯(lián)系也更為緊密。以外圈大端面與軸承軸線的交點(diǎn)為原點(diǎn)o,軸承軸線為x 軸,垂直x 軸且指向外圈外表面的方向?yàn)閦 軸,得到單列圓錐滾子軸承的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。其整體結(jié)構(gòu)主要包括軸承外圈、內(nèi)圈、滾動(dòng)體以及保持架四部分,標(biāo)準(zhǔn)的圓錐滾子軸承應(yīng)保證軸承外滾道延長(zhǎng)線、內(nèi)滾道延長(zhǎng)線、滾子中心軸線以及軸承中心軸線四線交于一點(diǎn)A。

        圖1 圓錐滾子軸承整體結(jié)構(gòu)圖

        2 圓錐滾子軸承數(shù)學(xué)模型

        2.1 軸承內(nèi)外圈數(shù)學(xué)模型

        為提高參數(shù)化建模的效率,對(duì)圓錐滾子軸承內(nèi)外圈模型進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化,略去內(nèi)滾道與擋邊之間的油溝,部分位置的倒角等。圓錐滾子軸承內(nèi)外圈在xoz 平面內(nèi)的結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

        圖2圓錐滾子軸承內(nèi)外圈結(jié)構(gòu)圖

        圖2 中的參數(shù)均為軸承內(nèi)外圈建模時(shí)的主參數(shù),即建模時(shí)需要用戶輸入的參數(shù),其物理意義如表1所示。

        表1 圓錐滾子軸承內(nèi)外圈主參數(shù)

        根據(jù)表1中的主參數(shù)結(jié)合三角函數(shù)計(jì)算可得到圓錐滾子軸承內(nèi)外圈各個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)值,軸承內(nèi)外圈的創(chuàng)建關(guān)鍵在于內(nèi)滾道及大擋邊的創(chuàng)建,記大擋邊的兩頂點(diǎn)坐標(biāo)分別為為(Bx,By,Bz)、(Cx,Cy,Cz),由圖2可知兩點(diǎn)的y 坐標(biāo)值均為0。首先得到軸承內(nèi)外滾道與軸線的交點(diǎn)A距坐標(biāo)原點(diǎn)o的距離LAo,結(jié)合三角函數(shù)關(guān)系可得

        結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)圓錐滾子軸承各元件間的結(jié)構(gòu)關(guān)系和表1中的主參數(shù)值,可得B 點(diǎn)的坐標(biāo)值為:

        根據(jù)大擋邊與內(nèi)滾道間的夾角值和部分主參數(shù)值,可得C 點(diǎn)的坐標(biāo)值為:

        相似的方法也可以得到小擋邊頂點(diǎn)的坐標(biāo)值及軸承內(nèi)外圈其他各關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)值。

        2.2 修形圓錐滾子數(shù)學(xué)模型

        為簡(jiǎn)化修形圓錐滾子的數(shù)學(xué)模型,將修形圓錐滾子分為修形部分、主體部分以及球端面3部分,并在滾動(dòng)體小端中心和母線中點(diǎn)處分別建立局部坐標(biāo)系o′x′z′和o″x″z″,在局部坐標(biāo)系內(nèi)構(gòu)建修形滾子的數(shù)學(xué)模型,得到的修形圓錐滾子軸承滾子結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。圖3中O2點(diǎn)為滾子球端面的球心,細(xì)實(shí)線為滾子未修形時(shí)的輪廓,粗實(shí)線為修形過(guò)后的滾子輪廓,虛線為修形部分和主體部分的分割線。

        圖3 修形圓錐滾子軸承滾子結(jié)構(gòu)示意圖

        本文研究的修形圓錐滾子均為兩端修形量相等的全凸度修形,故修形母線在o″x″z″坐標(biāo)系內(nèi)關(guān)于z″對(duì)稱。修形方式主要包括圓弧修形及對(duì)數(shù)修形,不同修形方式的修形母線方程可表示為:

        1)圓弧修形

        設(shè)圓弧修形半徑為R1,其圓心在 z″軸上,則在o″x″z″坐標(biāo)系下,圓弧修形母線方程可表示為

        式中Ly為滾子的有效長(zhǎng)度。

        2)對(duì)數(shù)修形

        文獻(xiàn)[16]在對(duì)數(shù)修形方程中加入了兩個(gè)修形參數(shù),得到對(duì)數(shù)修形母線方程的通式,其在o″x″z″坐標(biāo)系下表示為[16]

        式中f1和f2為修形參數(shù),f1單位為mm,f2無(wú)量綱。

        由于該方程中僅有兩個(gè)修形參數(shù),在參數(shù)化建模時(shí)需要輸入的參數(shù)較少,在實(shí)際工程應(yīng)用中更為方便,故本文所選取該方程作為對(duì)數(shù)修形滾子的修形母線方程。除修形參數(shù)外,考慮修形的圓錐滾子在參數(shù)化建模時(shí)的主參數(shù)如表2所示。

        表2 圓錐滾子軸承修形滾子參數(shù)mm

        圖3中除去主參數(shù)之外的參數(shù)為輔助參數(shù),所有的輔助參數(shù)均可以使用主參數(shù)表示,不需要用戶手動(dòng)輸入,這些輔助參數(shù)的物理意義如表3所示。

        表3 圓錐滾子軸承修形滾子輔助參數(shù)

        結(jié)合圖3可求得表3中輔助參數(shù)的計(jì)算公式,其中修形滾子的最大修形量為:

        式中:δ1、δ2分別代表修形方式為對(duì)數(shù)修形和圓弧修形時(shí)修形滾子的最大修形量。

        修形后的滾子大徑、小徑的計(jì)算公式為:

        求出所有的輔助參數(shù)之后便可求得滾子球端面球心在o′x′z′坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)值。記O2點(diǎn)的坐標(biāo)為(xO2,yO2,zO2),由圖3可知 yO2和 zO2均為0, xO2的計(jì)算公式為

        2.3 保持架數(shù)學(xué)模型

        由于圓錐滾子軸承的保持架結(jié)構(gòu)缺少統(tǒng)一規(guī)范,針對(duì)不同用途的圓錐滾子軸承,其保持架結(jié)構(gòu)可能不盡相同,故本文選取較為常見的“7”字型保持架來(lái)參數(shù)化建立其模型,兜孔結(jié)構(gòu)為圓弧兜孔。類似的,得到圓錐滾子軸承保持架結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

        圖4圓錐滾子軸承保持架結(jié)構(gòu)示意圖

        圖4 中:Ldk表示兜孔長(zhǎng)度,RdE表示在E-E 截面上兜孔的半徑,隨著E-E 截面的變化,RdE的值也會(huì)不斷變化,這兩個(gè)參數(shù)是保持架建模時(shí)的輔助參數(shù),不需用戶手動(dòng)輸入。圖4中其他參數(shù)為保持架的主參數(shù),其物理意義如表4所示。

        表4 圓錐滾子軸承保持架主參數(shù)

        結(jié)合圖3與圖4中的參數(shù)可得到兜孔長(zhǎng)度Ldk的表達(dá)式為

        由于圓錐滾子軸承保持架的兜孔為一個(gè)圓臺(tái)體,故記兜孔大徑為Rd1,兜孔小徑為Rd2,可得兜孔大徑Rd1和兜孔小徑Rd2的表達(dá)式為:

        3 圓錐滾子軸承參數(shù)化建模

        3.1 參數(shù)化建模流程

        本文采用設(shè)計(jì)變量建模的方法實(shí)現(xiàn)參數(shù)化創(chuàng)建修形圓錐滾子軸承三維模型。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于除了可以快速創(chuàng)建模型之外,還可以通過(guò)修改設(shè)計(jì)變量的方式實(shí)現(xiàn)快速更改模型,而不需要重新建立模型,其具體的參數(shù)化建模流程如圖5所示,圖中的細(xì)節(jié)處理一項(xiàng)主要包括模型倒圓角、干涉檢查等。

        圖5 圓錐滾子軸承參數(shù)化建模流程

        3.2 參數(shù)化程序編寫

        修形圓錐滾子軸承參數(shù)化建模過(guò)程中主要用到的指令有“part create”、“revolution create”、“frustum create”等,軸承元件不同使用的指令也不盡相同,其使用到的主要指令及功能見表5。

        表5 主要操作指令及功能

        圓錐滾子軸承的參數(shù)化建模過(guò)程中,修形滾子創(chuàng)建是整個(gè)過(guò)程的重點(diǎn)和難點(diǎn),用到的操作指令也最多,其中修形部分的創(chuàng)建最為重要,需要在指定坐標(biāo)系下使用“Spline create”指令創(chuàng)建B樣條曲線,再通過(guò)“Matrix create”指令創(chuàng)建修形方程的矩陣并賦值于B樣條曲線,完成修形曲線的創(chuàng)建。之后通過(guò)“Revolution create”指令得到修形部分的三維模型,并通過(guò)“Boolean unite”與主體部分和球端面黏接為完整的修形滾子三維模型,最后生成的圓弧修形圓錐滾子三維模型如圖6所示。

        圖6 圓弧修形滾子三維模型

        單個(gè)修形滾子創(chuàng)建完成后通過(guò)“Object copy”指令實(shí)現(xiàn)對(duì)修形滾子的陣列操作。類似的,保持架兜孔也可通過(guò)類似的方法創(chuàng)建,再通過(guò)“Boolean intersection”指令依次與保持架主體部分進(jìn)行布爾減操作得到軸承保持架的三維模型。最后通過(guò)編寫的宏命令完成修形圓錐滾子軸承各元件的裝配及細(xì)節(jié)處理,得到使用參數(shù)化方法創(chuàng)建的修形圓錐滾子軸承整體三維模型如圖7所示。

        圖7 圓錐滾子軸承三維模型

        4 實(shí)例分析

        4.1 建模準(zhǔn)確度對(duì)比

        由于滾子修形最大的作用在于改善滾子母線方向上的應(yīng)力分布,減弱或消除滾子兩端的應(yīng)力集中現(xiàn)象,故本文以圓錐滾子軸承滾子-內(nèi)滾道間的接觸應(yīng)力分布為對(duì)象,對(duì)比分析參數(shù)化創(chuàng)建的模型和通過(guò)Creo軟件創(chuàng)建的模型,并將模型導(dǎo)入ABAQUS中進(jìn)行接觸應(yīng)力分析,最終通過(guò)計(jì)算兩者應(yīng)力分布曲線的平均相對(duì)誤差值γ 來(lái)評(píng)判兩者的差異度。其中平均相對(duì)誤差γ 的計(jì)算方法為

        式中:m為滾子母線上劃分的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù),m=200;Pc,i為Creo中建立的模型在節(jié)點(diǎn)i 處的接觸應(yīng)力值;Pp,i為參數(shù)化建立的模型在節(jié)點(diǎn)i 處的接觸應(yīng)力值。對(duì)于接觸應(yīng)力等于0的區(qū)域,γ 的值為0。

        以32310軸承為例,分別對(duì)比了不同修形方式、修形量以及不同載荷條件下兩種模型的滾子-內(nèi)滾道接觸應(yīng)力分布情況。其中最大修形量δ 分別取25.560μm、10.456μm、4.1245μm[16],分別對(duì)應(yīng)大、中、小的修形量,載荷值分別取10 kN 和5 kN,分別對(duì)應(yīng)軸承受重載和中載的工況條件。選取載荷為10 kN,最大修形量為10.456μm 時(shí)兩類模型的接觸應(yīng)力分布進(jìn)行對(duì)比,并將結(jié)果代入式(11),計(jì)算參數(shù)化建模方法創(chuàng)建的模型與在Creo中創(chuàng)建的模型間的平均相對(duì)誤差值γ,結(jié)果如圖8所示。

        圖8 不同模型的接觸應(yīng)力分布對(duì)比

        由圖8可知兩種方法建立的模型應(yīng)力分布情況基本相同,出現(xiàn)差別的原因可能與模型導(dǎo)入、導(dǎo)出時(shí)精度下降有關(guān)。相似的方法可以求得其他條件下參數(shù)化建模方法創(chuàng)建的模型與在Creo中創(chuàng)建的模型間的接觸應(yīng)力分布平均相對(duì)誤差值γ,其結(jié)果見表6。

        表6 兩類模型的接觸應(yīng)力分布平均相對(duì)誤差值

        由表6可知無(wú)論是何種修形方式、修形量及何種載荷條件下,參數(shù)化建模方法創(chuàng)建的模型與在Creo中創(chuàng)建的模型間的接觸應(yīng)力分布曲線平均相對(duì)誤差均小于1.8%,說(shuō)明該參數(shù)化方法創(chuàng)建的修形圓錐滾子軸承模型具有較高的準(zhǔn)確度。

        4.2 建模時(shí)間對(duì)比

        同樣以32310圓錐滾子軸承為例,滾子修形方式選擇圓弧修形,滾子個(gè)數(shù)16,對(duì)整個(gè)參數(shù)化建模、改模時(shí)間進(jìn)行研究,得到建立及修改各部分模型所需時(shí)間如表7所示。

        表7 32310軸承各部分建模/改模時(shí)間

        對(duì)于不同配置的計(jì)算機(jī),上述時(shí)間會(huì)有些許差異,但在Creo中創(chuàng)建相同的軸承模型所耗費(fèi)的建模時(shí)間均超過(guò)兩小時(shí),故對(duì)比可知通過(guò)該參數(shù)化建模方法仍然可以極大的降低工作強(qiáng)度,提高工作效率。

        5 結(jié)論

        1)參數(shù)化建模時(shí)可將較為復(fù)雜的修形圓錐滾子分為修形部分、主體部分及球端面,進(jìn)而簡(jiǎn)化了修形滾子的數(shù)學(xué)模型,提高建模效率。

        2)對(duì)于圓弧修形和對(duì)數(shù)修形,在不同修形量及載荷條件下,使用該參數(shù)化建模方法創(chuàng)建的修形圓錐滾子軸承模型與在Creo中創(chuàng)建的模型相比,兩者接觸應(yīng)力分布曲線的平均相對(duì)誤差均小于1.8%,驗(yàn)證了該建模方法的準(zhǔn)確性。

        3)對(duì)使用該參數(shù)化建模方法的建模、改模時(shí)間進(jìn)行研究,結(jié)果表明相對(duì)于傳統(tǒng)建模方法,該參數(shù)化建模方法可以快速完成修形圓錐滾子軸承的三維模型創(chuàng)建,極大的降低工作強(qiáng)度,提高工作效率。

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