滚动轴承是现代机械广泛应用的一种重要的机械基础部件，它们的运行状态对整个机械设备的性能具有直接影响。其刚度、接触应力和寿命是工程应用中关注的关键问题。滚动轴承的接触分析主要是针对滚动体与套圈的接触，当载荷为0时，滚动体与套圈的接触为点接触。随着载荷的增大，点接触变为面接触。由于滚动体与套圈接触区域的位置、形状、大小、接触面压力及摩擦力分布等接触参数在分析前未知，而且随着外载荷的变化而变化，是典型的边界非线性问题，因此滚动轴承的接触分析是工程学和力学领域共同面临的难题之一。
    滚动轴承应力应变分析的主要方法是基于Hertz接触理论提出的。蒋立冬、应丽霞应用有限元分析了高速重载情况下，滚动轴承的接触应力和变形情况；牛青波等应用ASSYS对深沟球轴承进行了优化分析，得到了不同方案下轴承的应力和变形最优解；裴兴林等将接触区域近似为长方形来细化网格，分析了深沟球轴承的接触应力。论文参考文献【4-10】涉及的理论和方法，应用ANSYS/Workbench对深沟球轴承进行接触应力等方面的分析与研究，绘制等效应力云图、接触应力分布图等，并将其与理论值进行比较，以验证其正确性和可靠性。
    1  有限元计算
    1.1  球轴承几何模型
    本文应用NX8.0对深沟球6210轴承进行建模，考虑保持架对分析结果影响很小，建立模型时进行了适当简化。轴承外圈外直径90mm，外圈内直径76.6mm，内圈内直径50mm，内圈外直径63.4mm，外圈沟道曲率半径5.2mm，内圈沟道曲率半径5.15mm，钢球直径10mm，钢球数目12个，轴承宽度20mm，钢球组中心距70mm，各棱边倒角半径为2。
    1.2  球轴承有限元物理模型
    将NX8.0建立的几何模型保存为STEP格式，导入到HyperMesh10.0中。定义轴承内外圈和滚动体的材料参数。定义轴承内外圈和滚动体单元类型为SOLID185.分别对轴承内外圈和滚动体进行网格划分，内外圈通过划分其横截面面网格进行旋转操作而得到体网格；滚动体则是先取一钢珠的1/8划分映射网格，再进行镜像操作得到整个滚动体网格，然后把其交界面上的单元equivalence，使其节点对齐合并，然后进行旋转操作得到12个滚动体的网格。
    1.3  定义接触对和施加约束及载荷
    定义接触对：定义滚动体与外圈的接触，滚动体面为Conta174，外圈滚道为Targe170，同样地，定义滚动体与内圈的接触，滚动体面为Conta174，内圈滚道为Targe170，设置接触对共24个。滚动体与内、外圈滚道的摩擦因数均定义为MU=0.003，法向接触刚度因子FKN定义为0.1，初始靠近因子ICONT定义为0.01.
    轴承约束及载荷情况如下：1）X、Y、Z三个方向的平动自由度经轴承外圈外圆面上所有节点约束；2）Y向平动自由度由轴承内圈、外圈两个侧面的节点约束；3）通过在柱坐标下约束每个滚动体与内、外圈接触点处节点的轴向和周向自由度，模拟保持架对滚动体的限制作用；4）将轴承内圈表面上的所有节点Y和Z向平移自由度相耦合，使其具有同步位移，可以有效模拟轴承内圈和转轴的过盈配合，对轴承内圈内表面施加3000N沿负X方向的径向载荷；5）为模拟离心力对轴承接触受力的影响，对内圈加以60rad/s的角速度。
    2  计算结果与分析
    通过ANSYS/Workbench后处理，可得径向载荷作用下，该轴承的Mises等效应力云图。从图中可以清晰地看到，位于正下方的滚动体和与之相接触的内外圈受力最大，实际状况正是如此。Y方向上的负变形，说明轴承内圈整体产生了下降。图中显示，滚动体与圈体的接触区域近似呈椭圆形状，最大轴承接触应力发生在径向力作用线正下方的接触点处，这与赫兹接触理论相吻合。最大轴承接触应力达2348.7MPa，而按照轴承接触应力的计算方法算得的最大接触应力为2325.1MPa，两者之间的误差在5%之内，由此证明该方法的正确性和可靠性。
    由应力分析结果可知，滚动体与套圈滚道间的接触应力是影响低速深沟球轴承使用的重要因素，轴承上应力最大的部位为轴承内圈和承受径向载荷方向的滚动体。
    3  结束语
    应用有限元软件ANSYS对6210型深沟球轴承进行****分析，研究其接触力学特性。利用Hertz接触理论的经典方法，对深沟球轴承在径向作用下产生的应力分布和变形大小进行了计算。将基于Hertz接触理论的计算结果和ANSYS****结果进行对比，验证了****分析的结果是正确的。比较、分析表明：1）由ANSYS****分析可知，轴承载荷分布呈椭圆形分布，接触应力能很好地反映出轴承的载荷分布情况，与Hertz接触理论吻合，分析结果可以为进一步的优化设计****依据。2）接触分析时，接触区使用六面体网格比使用四面体网格求解更加容易收敛快捷、精确，因此综合运用前处理软件和求解器进行有限元分析，能得到更好的结果，对以后的建模和计算有一定的指导意义。
 

    ----本文摘自《机械工程师》2016年第6期