基于ANSYS的滚柱轴承离合器应力分析
现代制造工程２００８年第１期制造工艺／工艺装备
基于ＡＮＳＹＳ的滚柱轴承离合器应力分析＋
段全心，殷玉枫，刘中
（太原科技大学机电工程学院，太原０３００２４）
摘要：滚柱轴承离合器是一种新型的摩擦式超越离合器。利用ＡＮｓＹｓ分析软件中非线性分析功能对滚柱轴承离合器接触应力进行分析。结果表明，随着滚子轴线与滚道轴线夹角的增大，接触应力减小；随着滚子直径增大，接触应力也减小，并获得最大接触应力值的变化规律曲线，为设计应用及进一步分析奠定了理论基础，具有一定的工程实用价值。
关键词：滚柱轴承离合器；有限元分析软件；有限元分析；接触；应力
中图分类号：ＴＨｌ３９文献标识码：Ａ文章编号：１６７１—３１３３（２００８）０１—００８４—０３
ＴｈｅｓｔｒｅｓｓａｎａｌｙｓｉｓｆｏｒｒｏｌｌｅｒｂｅａｒｉｎｇｃｌｕｔｃｈｂａｓｅｄｏｎＡＮＳＹＳ
ＤｕａｎＱｕａｎ—ｘｉｎ，ＹｉｎＹｕ－ｆｅｎｇ，ＬｉｕＺｈｏｎｇ
（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｏ－ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎ西ｎｅｅｒｉｎｇ，ＴａｉｙｕａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆ
ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｉｙｕａｎ０３００２４，ＣＨＮ）
Ａｂｓｔｍｃｔ：Ｒｏｌｌｅｒｂｅａｒｉｎｇｃｌｕｔｃｈｉｓａｎｅｗｋｉｎｄｏｆ抽ｃｔｉｏｎａｌｓｐｒａｇｃｌｕｔｃｈ．Ｔｈｅｃｏｎｔａｃｔｓｔｒｅｓｓｏｆｒｏｌｌｅｒｂｅ撕ｎｇｃｌｕｔｃｈｉｓａＩｌａｌｙｚｅｄｂｙ
ｕｓｉｎｇｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｎｏｎ－ｌｉｎｅａｒａｎａｌｙｚｅｉｎｓｏｆｔｗａｒｅＡＮｓＹＳ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔ｝ｌａｔｔｈｅｃｏｎｔａｃｔｓｔｒｅｓｓｗｉｌｌｒｅｄｕｃｅｉｆｔｈｅａｎｄｅｏｆＩｏＵｅｒ，ｓａｘｉｓ８ｎｄｔｈｅｔｒａｃｋ’ｓａｘｉｓｉｎｃＩｅａｓｅ．ＴｈｅｅｏｎｔａｃｔｓｔＩ．ｅｓｓｗｉＵａｌｓｏＩｅｄｕｃｅｉｆｔｈｅｒｏＵｅｒ，ｓ
ｄｉ踟ｅｔｅｒｉｎｃｒｅａｓｅ．Ａｎｄｔｈｅｎｌｌｅｃｕｒｖｅｓ
ａｂｏｕｔｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｃｏｎｔａｃｔｓｔｒｅｓｓａｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ山ｒｏｕｇｈｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｓｔｒｅｓｓｖａｌｕｅ
ｏｎ
ｄｉＨ＇ｅｒｅｎｔｍｏｄｅｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ｓｏ
ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｈａｓｌａｉｄａｔｈｅｏｒｅｔｉｃｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒ由ｅｍ１１ｅｒｂｅ撕ｎｇｃｌｕｔｅｈ’ｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄｆｕｎｈｅｒａｎａｌｙｓｉｓ．Ｉｔｗｉｌｌｈａｖｅｓｏｍｅｐｍｃｔｉｃａｌｍｅｒｉｔｓｉｎｅｎ舀ｎｅｅｒｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｒｏｌｌｅｒｂｅａｒｉｎｇｃｌｕｔｃｈ；ＡＮＳＹＳ；Ｅｌｅｍｅｎｔｆｉｎｉｔｅａｎａｌｙｓｉｓ；Ｃｏｎｔａｃｔ；Ｓｔｒｅｓｓ
滚柱轴承离合器是一种新型的摩擦式超越离合器…，与以前的超越离合器相比具有承载能力高、楔紧可靠和寿命长等特点，同时兼有离合器和轴承的功能，可以简化传动结构，因此具有广泛的应用前景。滚子与滚道的接触属于高度非线性的接触问题，解决这个问题对滚柱轴承离合器的设计和分析有着重要的意义。在滚柱轴承离合器的设计中，滚子轴线与内、外圈滚道轴线之间的夹角口以及滚子直径ｄ是两个重要的参数，本文通过有限元分析软件ＡＮｓＹＳ来分析这两个参数对滚子与滚道之间的接触应力的影响。
１滚柱轴承离合器工作原理
图ｌ所示为滚柱轴承离合器结构，其工作原理与锥螺纹拧紧过程相似，它是以按一定螺旋角排列的滚子替代锥螺纹的螺牙而形成的离合器。若内圈在扭矩的作用下开始按工作行程方向转动，则内圈通过摩
。山西省教育厅高校科技研究开发项目（２００４１２３１）
８４擦力作用带动滚子转动。因滚子轴线与内、外圈滚道
左
弹
卡
滚子
保持架
钢珠及
保持架
滚子
内圈
右密封
弹簧片
弹簧卡圈
挡块
图１滚柱轴承离合器结构
轴线之问有一夹角
口，所产生的运动可
分解成沿轴线移动
和绕轴线转动两部
分。由于在结构上
滚子与内圈在轴向
是固定的，这样外
圈沿轴线移动，内、
外圈滚道法向间距
离减小，滚子的正
压力增大，离合器
楔紧，滚子、内圈与
外圈三者成一体转
动。当内圈向相反
方向转动时，外圈
万方数据万方数据
制造工艺／工艺装备现代制造工程２００８年第１期
沿轴线也向相反方向移动，内、外滚道之间的法向间距变大，滚子自由转动，实现内、外圈运动分离。
２滚子与内、外圈滚道接触应力分析
滚柱轴承离合器的工作可分为三个过程。
１）锁合。内圈转动时，外圈在滚子的作用下轴向
移动，导致内、外圈滚道之间法向间距减小，使外圈与
其一起转动，实现锁合。
２）楔紧。内、外圈之间通过滚子的作用相互楔紧，做同步运转，传递扭矩。
３）解楔。当内圈反向运动时，外圈沿轴线反向移动，使内、外圈滚道之间的法向间距变大，内、外圈与
滚子之间法向力减小，从而滚子自由转动，实现分离。
滚柱轴承离合器正常的失效形式是滚动体或内、外圈滚道上的点蚀破坏，一旦遭受到点蚀破坏，通常在运转时会出现比较强烈的振动、噪声和发热现象，甚至导致工作过程中无法锁合，这是在安装、润滑、维护很好的条件下，由于大量重复地承受变化的应力而
产生的。
上述三个过程中只有楔紧过程传递大量的力和扭矩，因此，对滚柱轴承离合器的接触应力分析，主要
是指在楔紧过程中对滚子与内、外圈滚道之间的接触
应力进行分析。由于使用解析法建立力学模型必须简化处理，所以在用解析方法处理接触问题时误差很大，而数值解法可以克服这些缺点。目前工程技术领域的数值解法主要采用有限元法，为此，对这一过程用有限元法进行接触应力分析。
本文采用Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ
创建三维几何模型，然后导入ＡＮＳＹＳ中进行分析。所选模型中滚子直径ｄ＝
７．５ｍｍ，内圈孔直径咖，＝５０ｍｍ，外圈直径中：＝９５ｍｍ，滚子轴线与内、外圈滚道轴线之间的夹角口＝１０。，滚子长度￡＝２０ｍｍ，滚
图２滚柱轴承离合
子个数为１２个，额定扭矩Ｍ
器有限元模型
＝６００Ｎ?ｍ。图２所示为滚柱轴承离合器的有限元分析模型，采用二级智能网格划分，将得到１２３５５３个节点，这样计算量非常大。基于滚柱轴承离合器结构，在建立模型时，考虑到滚子结构具有对称性，滚子与
滚道接触为线接触…，故从轴线与接触线处剖开，取
其一半进行分析，图３所示为简化模型。
由于工作中滚柱轴承离合器主要靠滚子与滚道
图３滚柱轴承离
合器有限元
简化模型
图４网格划分并
定义接触对
的弹性接触力来传递运动和动力，所以要求弹性接触元件滚子和内、外圈的材料有较高的许用接触应力和耐磨性，因此滚子和内、外圈均选用ＧＣｒｌ５，其弹性模量Ｅ＝２０８ＧＰａ，泊松比“＝０．３。
选择计算单元为Ｓ０ｕＤ９２单
元，为四面体单元，共有１０个节
点，可以很好地模拟曲面边界。由
于节点数少，可以节省大量的系统资源；接触面单元选用ＡＮＳＹＳ提供的含中节点的８节点四边形
ＣＯＮＴＡｌ７５单元，目标面单元为无
中节点的３节点ＴＡＲＧＥｌ７０单元。
采用智能网格（２级Ｓｍａｒｔｓｉｚｅ）划分方式，这样ＡＮｓＹＳ会自动把接触处的单元格细分化，自动
进行接触单元配对，便于下一步接触对的创建。划分后共有５９８８４
个单元，７８３２９个节点。在网格划分的基础上分别定义滚子与外圈滚道之间和滚子与内圈之间的接
触对，图４所示为网格划分并定义接触对。
滚动轴承离合器工作时可以是内圈固定，外圈转动，也可以是外圈固定，内圈转动。本文分析中，假设
外圈固定，内圈转动，故外圈外表面施加全自由度约
图６接触处应力放大
束；截面处施加对称度约束。
计算方法选择
罚函数法，打开自动时间步长，设定子载荷步数为１０，最大子
步数为１００，最小子
步数为１，然后进行非线性分析，计算结果收敛。图５所示为ＡＮＳＹＳ计算应力云图。
图６所示为接触处应力放大图，由图６可看出，在外载作用下，滚子与滚道之间的最大接触应
力为３３４３ＭＰａ。
８５
万方数据万方数据
现代制造工程２００８年第ｌ期制造工艺／工艺装备
３参数对接触应力的影响
３．１角口对接触应力的影响
在滚柱轴承离合器的设计中，滚子轴线与内、外
圈滚道轴线之间的夹角卢是一个重要的参数，角ｐ的
大小对滚柱轴承离合器的离合性、润滑性及使用寿命
有重要的影响，合理选用角ＪＢ值有助于提高滚柱轴承
离合器的使用性能，延长其使用寿命。
其他参数不变，仅改变角口的大小对滚柱轴承离
合器的接触应力重新进行分析，分别计算不同的角口
对应的最大接触应力值。表１为最大接触应力值随角
卢的变化。
图７所示为角口变表ｌ最大接触应力值
化时最大接触应力变随卢的变化
化趋势图。从表１和图…。、最大接触应力
７可以看出随着角口的！：＝＝：竺：
增大，最大接触应力明二；嚣
显减小。因此，设计１５３１３７
时，在满足离合性和传２０３０５９
动要求的前提下，尽量——堡————竺翌一
别计算不同滚子直径ｄ对应的最大接触应力值，得到表２所示的最大接触应力值随滚子直径的变化。图８所示为滚子直径变化时，最大接触应力变化趋势。
从表２和图８可看出，随着ｄ的增大，最大接触应力明显减小，８６
表２最大接触应力值
随滚子直径的变化
滚子直径最大接触应力
ｄ／ｍｍ盯。。／ＭＰａ
４
５
６
７
７．５
８
３８４９
３６４１
３５２７
３４１８
３３４３
３１９６
图８滚子直径ｄ变化时最提高滚柱轴承离合器的
大接触应力变化趋势使用寿命。
４结论
１）使用ＡＮｓＹｓ对滚柱轴承离合器的接触应力进
行分析，为接触应力的分析提供了一种分析方法。
２）其他参数不变的情况下，增大角ｐ，接触应力减
小；增大滚子直径ｄ，接触应力减小。设计时，在满足
离合性和传动要求的条件下，尽量使滚子轴线与滚道
轴线夹角和滚子直径增大，可降低接触应力值，提高
滚柱轴承离合器的使用寿命。
３）获得了最大接触应力值的变化规律曲线，为设
计应用及进一步分析奠定了理论基础。
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作者简介：段全心，硕士研究生，研究方向：机械ＣＡＤ／ｃＡＥ／ｃＡＭ。
刘中，教授，硕士研究生导师。
殷玉枫，教授，硕士研究生导师，《现代制造工程》杂志社
编辑委员会委员。研究方向：机械设计及理论。ｃＡＤ／
ＣＡＥ／ＣＡＭ，非线性振动，人工智能；在国内外期刊和国
际会议上发表论文３０余篇；主持和参加国家及省部级
科研课题６项；获省部级二等奖１项；获国家发明专利
和实用新型专利各１项。。
作者通讯地址：太原科技大学４７０信箱（０３００２４）
Ｅ—ｍａｉｌ：ｄｑ）【０１４２３＠１６３．ｃｏｍ
收稿日期：２００７一ｌＯ一１９
万方数据万方数据
基于ANSYS的滚柱轴承离合器应力分析
作者：段全心， 殷玉枫， 刘中， Duan Quan-xin， Yin Yu-feng， Liu Zhong
作者单位：太原科技大学机电工程学院,太原,030024
刊名：
现代制造工程
英文刊名：MODERN MANUFACTURING ENGINEERING
年，卷(期)：2008(1)
被引用次数：3次
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1.段全心滚柱轴承离合器参数分析及优化[学位论文]2008
引证文献(3条)
1.李蕾.孙东辉.毕超基于ANSYS的双曲面斜滚子轴承离合器应力分析[期刊论文]-轴承 2013(2)
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3.冯明.幸伟.连军伟异面斜置滚子滑动离合器的研究与应用[期刊论文]-机械传动 2011(4)
引用本文格式：段全心.殷玉枫.刘中.Duan Quan-xin.Yin Yu-feng.Liu Zhong基于ANSYS的滚柱轴承离合器应力分析[期刊论文]-现代制造工程 2008(1)