有限元分析在汽车轮毂轴承单元中的应用

万向集团（浙江杭州　311215） 　颜波

　　摘　要：本文介绍了用ANSYS大型有限元分析软件对汽车上轮毂轴承单元所做的一些结构分析工作。由于国内开发轮毂轴承单元产品只有短短的几年，加上国内汽车技术大环境限制，开发轮毂轴承单元完全是对国外样品进行仿制，没有自己的开发技术。针对此情况，本文采用有限元法，对某汽车第三代轮毂轴承单元进行结构强度分析，从而指导产品设计和开发新产品。 

　　关键词：有限元分析；轮毂轴承单元；应用

　　1　前言

　　有限元分析Z先应用于航空工程，现已迅速推广到机械、汽车、造船、建筑等各种工程技术领域。目前在汽车结构分析中有限元分析已成为一种被广泛采用的基本分析方法。具体体现在：一是在汽车的设计方面，对所有结构件及主要机械零部件的强度、刚度和稳定性分析，有限元分析是一种不可替代的工具。二是在计算机辅助设计、优化设计方面，作为结构分析的工具已成为其主要组成部分之一。
　　对于汽车上的轮毂轴承单元，它不仅要具有过去轴承的功能，还得保证结构强度的质量和新的功能。为了发现和解决试验中难以发现的问题，缩短产品开发周期，以低成本进行开发，运用有限元分析手段是非常必要地。

　　本文就运用了ANSYS大型有限元分析软件对某汽车上第三代轮毂轴承单元进行结构强度分析。

　　2　计算模型

　　2.1几何模型

　　考虑到第三代轮毂轴承单元是一个多体接触系统，采用在ANSYS的前处理中直接生成几何模型。根据对称性，取其二分之一建立几何模型。图1为几何模型，从图中可以看到该模型主要包含①法兰盘②内圈③外圈④钢球，其中钢球共26个，钢球与法兰盘、外圈、内圈接触，内圈与法兰盘接触。为了划分出更为合理的网格，在建立几何模型时就需要考虑对法兰盘、外圈、内圈按回转方向进行等份，每个钢球也分割成八个体。

图1、图2

　　2.2材料特性

　　弹性模量EX=2E5，泊松比PRXY=0.29。

　　2.3网格划分

　　采用空间六面体二十节点单元SOLID95，图2为网格划分模型，分别对各零件进行网格划分，并对与钢球接触相关处的线段进行细分，具体单元数和节点数为： 模型总单元数：9541 模型总节点数：39510

　　2.4接触对

　　接触分析是非线性分析。在建立接触时，采用ANSYS的接触向导，对钢球与法兰盘、钢球与内圈、钢球与外圈、内圈与法兰盘分别建立面对面的接触单元，按ANSYS接触向导要求确定（触面与目标面，采用柔体对柔体接触，具体单元类型为：CONTA174（接触174）与TARGE170（目标170）单元。在对内圈与法兰盘接触时表面相互作用应采用BONDED（绑定接触），相当于将内圈与法兰盘“胶结”在一起。

　　2.5载荷与约束

　　该模型载荷与约束，主要参考国外提供的试验加载约束方式。将法兰盘大端的五个螺栓空上的面约束所有自由度，对称面进行对称约束，如图3。加载模拟试验方式，在外圈的三个螺栓孔处连接三根杆单元，杆的直径以螺栓孔的直径，按试验方式的角度连接，并按要求施加F力，如图4。

图3、图4

　　从整个模型分析，这是一个多体系统，而且是一个静不定系统（每一个钢球都可以有刚体位移），而静力分析的前提是结构系统处于静力平衡状态，是静定（或超静定）结构，计算模型必须要满足这一个条件，否则将面临的是一个没有定解的问题。针对此情况，我们采用如下的方法限制钢球的刚体位移，即引入连接杆，每个钢球与外圈用多根杆进行连接，杆采用LINK8单元，这样基本不影响它们的弹性变形及接触变形。

　　3　计算结果

　　通过计算可以分别获得法兰盘、内圈、外圈的等效应力分布及应力值，分别如图5-图8所示。

图5、图6

图7、图8

　　从图5-图8中可以看出，在接触区的应力较大，但其作用区域较小，如不考虑接触应力，在法兰盘根部也存在较大区域的峰值应力区。  从图5可看到整个法兰盘的应力分布状态，在法兰盘外沿的应力远比接触处应力小，所以可以将法兰盘外沿的形状和尺寸，作为优化设计的目标。

　　4　结论

　　采用ANSYS软件成功地对某汽车第三代轮毂轴承单元结构强度进行了分析，并获得了各零件的应力分布情况，使得产品设计人员在产品设计阶段就对产品的强度有了很强地意识，从而指导设计。

　　参考文献

　　[1]T.A.Harris著，罗继伟等译：《滚动轴承分析》，内部资料，1997.

　　[2]张宝生主编：《汽车优化设计理论与方法》，机械工业出版社，2000.