路軌兩用車旋轉裝置中轉盤軸承的設計

張 滸，王彤宇

(長春理工大學 機電工程學院，長春 130022)

路軌兩用車旋轉裝置中轉盤軸承的設計

張 滸，王彤宇

(長春理工大學 機電工程學院，長春 130022)

路軌兩用車中轉盤軸承的設計不僅要滿足軸承本身的強度要求，還要考慮工作環境等對尺寸、結構的限制。本文較為詳細地通過軸承的靜載荷計算設計出了滿足要求的轉盤軸承，利用制圖軟件SolidWorks建立了轉盤軸承的三維模型，并通過有限元分析軟件SolidWorks Simulation對轉盤軸承進行了應力應變分析，分析結果驗證了該轉盤軸承的結構設計滿足設計要求。

路軌兩用車;轉盤軸承;圓柱滾子;靜態分析

轉盤軸承是一種能夠用于大型回轉運動中同時承受較大的軸向載荷、徑向載荷和傾覆力矩綜合作用的特殊軸承。目前已廣泛應用于建筑機械(如塔式起重機)、工程機械(如挖掘機)、軍事裝備(如坦克)等大、重型機械設備上。轉盤軸承主要有單排四點接觸球式、雙排異徑球式、單排交叉滾柱式、三排滾柱式等幾種布置形式，這幾種布置形式各有其優缺點。用于路軌兩用車旋轉裝置中的轉盤軸承，因其對軸承有特殊的結構尺寸要求，不能簡單使用傳統的軸承設計方法計算與校核。本文采用滾子最大接觸應力作為轉盤軸承的選型計算依據，并用有限元法對設計的轉盤軸承進行應力分析。

1 轉盤軸承的設計要求

路軌兩用車的旋轉裝置位于汽車底盤中部，主要由底板、轉盤軸承、頂板組成，主要實現通過旋轉改變車輛車身方向的功能。旋轉裝置開始工作時，通過液壓升降裝置從車身降至地面固定，通過電機齒輪傳動帶動頂板旋轉，從而使車輛完成旋轉的動作。此裝置的三維模型如圖1所示。

由于旋轉時旋轉裝置承受整個車體的重量，故受到的軸向重力非常大，并且由于旋轉裝置的回轉中心與車輛的重心不重合，會產生較大的傾覆力矩。此外，汽車底盤高度有限使得旋轉裝置的軸向尺寸必須非常小。因此選用交叉圓柱滾子轉盤軸承來滿足上述功能。

圖1 路軌兩用車上的旋轉裝置

此裝置工作條件為低速重載，軸向載荷Fa=77.371kN，徑向載荷Fr=25.1kN，傾覆力矩M=69.88kN·m，要求轉盤軸承的回轉直徑DPW=900mm，外齒輪模數m=8，齒數z1=130，軸承高度H=78mm。

2 轉盤軸承的靜載荷計算

2.1 接觸載荷的計算

根據赫茲理論，當兩接觸體均為鋼材且線接觸時，按最大接觸應力計算的滾動體接觸載荷Q有以下關系式:

式中:Lwe為滾子有效長度，mm;σ為接觸應力，MPa;E為彈性模量，MPa;ν為泊松比。

其中滾子軸承主曲率總和為:

式中:Dwe為滾子直徑，mm;α為交叉滾子接觸角。r采用外圈計算時取+，采用內圈計算時取-。

2.2 滾子的參數計算

由于交叉滾子軸承相鄰滾子成90°交叉排列，載荷分布相當于兩列滾子疊加，故分別設滾子為I列和II列，每列滾子數Z取軸承滾子總數N的1/2，即2Z=N。

對于第I、II列滾子，任一滾子受到的最大法向載荷為:

滾子參數 N、α、Le、Dwe根據以下兩個條件確定:

(1)滾子最大載荷不得超過容許載荷Q0:

(2)為使兩列滾子受力均勻，盡量達到應力均衡的理想狀態，有如下關系:

根據設計要求，擬設計交叉圓柱滾子轉盤軸承材料為42CrMo，其彈性模量E=2.07×105MPa，泊松比ν=0.3，接觸應力 σmax=2700MPa。

將(1)、(4)、(5)式代入(6)、(7)式，(4)、(5)式代入(8)式，算出滾子各個參數的參考值，根據實際情況選擇得到:

滾子直徑Dwe=18mm，滾子長度Le=16mm，滾子接觸角α=45°，滾子數量N=120個。

2.3 滾子靜負荷安全系數的校核

由上述算式有Pmax=PImax=10623N＞PIImax，Q0=28587.4N，為此靜負荷安全系數Ks有:

故設計的轉盤軸承的靜負荷能滿足要求。

3 轉盤軸承的有限元分析

3.1 建立轉盤軸承三維模型

利用三維制圖軟件solidworks繪制交叉圓柱滾子轉盤軸承如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 轉盤軸承三維模型

圖4 軸承中滾子布置情況

圖5 軸承裝配剖視圖(一側)

3.2 導入模型進行分析

Ansys Workbench作為Ansys公司開發的新一代產品研發平臺，不但繼承了Ansys經典平臺在有限元分析上的所有功能，而且融入了UG、Pro/E等CAD軟件強大的幾何建模功能，真正實現了集產品設計、仿真和優化功能于一身。此外，Ansys Workbench工作界面友好，圖形顯示直觀，CAD模型導入后幾何信息保存較完整。

鑒于無縫集成界面和設計仿真分析一體化的方案解決思路，我們在此選擇Ansys Workbench進行轉盤軸承的有限元分析。

由于整體模型結構復雜且對稱，在應力分析前，為減小計算時間和工作量，提高分析精度，我們簡化分析模型，忽略倒角、潤滑孔、齒輪安裝孔等對分析過程影響極小的因素。基于軸承實際的負荷分布不完全位于負荷分布角等于零的位置，隨具體結構而異，與兩相鄰的螺釘孔距離有關，我們取軸承外圈兩螺釘孔之間的模型進行分析，即取整體的1/6模型。有限元分析模型如下圖6所示。

圖6 模型的爆炸視圖

3.3 分析過程及結果

軟件自動完成基于曲率的網格劃分，節點總數為7768個，單元總數為2063個，網格劃分結果如圖7所示。

圖7 模型的有限元網格劃分

軸承外圈通過螺栓孔固定，內圈承受徑向力;上表面承受遠程質量產生的軸向力和傾覆力矩;模型兩截面施加圓柱對稱約束;設置滾子與內外圈之間的接觸為無穿透約束。分析結果如8圖所示。

圖8 轉盤軸承接觸應力圖

3.4 結果分析

由前文我們算得滾子上受到的最大載荷為Pmax=10623N，代入公式(1)，求得圓柱滾子和內外圈產生的最大接觸應力理論值為1646MPa，由上述有限元分析得到有限元分析值為-1592.8MPa(負號表示方向與所選方向相反)，兩值誤差為3.2%，并且接觸應力小于材料所能承受的最大接觸應力值σmax=2700MPa，說明設計出的轉盤軸承滿足接觸應力要求。

4 結語

本文敘述了路軌兩用車旋轉裝置中轉盤軸承的設計要求，并考慮受力情況和工作環境通過計算對軸承進行了設計與校核。通過有限元軟件Ansys Workbench對設計出的轉盤軸承進行了靜力學分析，結果表明該軸承滿足接觸應力要求。有限元法的計算結果為轉盤軸承的結構設計提供了重要的數據和優化參考，提高了機械系統設計的可靠性。

［1］蘇立樾.轉盤軸承額定靜負荷的計算方法［J］.軸承，1988(4):2-7.

［2］張善鍾.精密儀器結構設計手冊［M］.北京:機械工業出版社，1993.

［3］王思明.交叉滾子轉盤軸承靜載荷計算方法［J］.軸承，2009(11):1-3.

［4］機械設計手冊(第三卷)［M］.北京:機械工業出版社，2009.

［5］張雪.交叉滾子轉盤軸承的有限元分析［J］.軸承，2012(4):1-4.

［6］蘇立樾.轉盤軸承的選型計算［J］.軸承，2003(4):6-9.

［7］李云峰.轉盤軸承靜載荷承載曲線的精確計算［J］.機械設計與制造，2010(5):29-30.

［8］唐艷華.變位機用轉盤軸承的載荷分析與仿真［J］.機械設計，2011(5):10-14.

Design of the Slewing Bearing in the Rotating Device of Road-Rail Vehicles

ZHANG Hu，WANG Tong-yu
(School of Mechatronical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China)

The design of the slewing bearing in road-rail vehicles is not only required to meet the strength of the bearing itself，but also to consider the restrictions of working environment on its size and structure.In this paper，a slewing bearing that meets the requirements is designed through detailed static load calculation of the bearing.Moreover，a three-dimensional model of the slewing bearing is built by cartographic software SolidWorks.The stress and strain analysis of the slewing bearing is also conducted by the finite element analysis software SolidWorks Simulation.The result shows that the structural design of the slewing bearing has met the requirements.

road-rail vehicle;slewing bearing;cylindrical roller;static analysis

U260.331+.2

A

1009-3907(2013)12-1568-04

2013-10-09

張滸(1989-)，男，湖北荊州人，碩士研究生，主要從事特種車輛的結構設計、仿真分析方面的研究。

王彤宇(1970-)，男，遼寧彰武人，教授，博士生導師，主要從事計算機輔助設計、虛擬樣機等方面的研究。

責任編輯:

吳旭云