武理工高等机构学教学案例02主减速器主动齿轮支撑轴承预紧力的分析与应用案例

主减速器主动齿轮支撑轴承预紧力的分析与应用案例报告人:8/22/20262026/8/22目录1分析简介2轴承预紧力的产生和理论计算3ansys有限元分析4轴承振动动力学分析8/22/20262026/8/22分析简介8/22/202612026/8/221.1研究目的8/22/2026轴承的内、外圈及滚子之间的间隙所引起的振动是后桥振动噪声主要来源之一。通过对轴承的适当预紧可以减小轴承间隙进而增加支撑刚度，使主动齿轮具有良好的轴向和径向刚度，提高旋转精度，有助于齿轮啮合，从而降低振动和噪声，增加舒适性和可靠性。预紧力偏小，主齿易发生轴向窜动，主、被齿的啮合间隙增大，主减速器的振动和噪声就会增大；预紧力过大，轴承间隙过小，内外圈摩擦发热增大，轴承寿命降低，同时主减速器空载转动力矩增大，使传动系统的功率损失增大。因此如何控制预紧力一直是关键问题。2026/8/221.2研究对象简图8/22/2026图1-1主动齿轮支撑轴承分布简图2026/8/221.2研究对象简图8/22/2026图1-2主动齿轮和支撑轴承（）2026/8/221.3分析流程8/22/2026图3具体分析流程2026/8/228/22/20261.4分析的内容分析内容1轴承预紧力的理论分析。确定锁紧螺母拧紧力矩与轴承预紧力的对应关系。2主减速器的有限元仿真。通过ANSYS分析，可以得到上、下轴承、垫片和隔套等的受力、应变情况。求解出轴承的受力情况，为研究轴承的振动和噪音提供外载荷。3轴承的动力学分析。仿真得到轴承在预紧力的作用下，其内圈滚动体和保持架的质心位移、角速度和角加速度的变化过程，进而分析轴承在此情况下的振动和噪音情况。2026/8/22轴承预紧力的产生和理论计算8/22/202622026/8/228/22/2026减速器主动齿轮圆锥滚子支撑轴承分布在减速器内部，具体分布位置如图2-1所示。图2-1主齿支撑轴承位置分布图

轴承预紧力的产生和理论计算2026/8/228/22/2026圆锥滚子轴承为分离型轴承，组成包括内圈、滚动体、保持架和外圈，结构图如2-2所示，圆锥滚子轴承可以同时承受径向载荷和轴向载荷。图2-2圆锥滚子轴承

轴承预紧力的产生和理论计算8/22/20262.1圆锥滚子轴承的预紧方法目前工程上常用的预紧方法有以下几种：1．外圈或内圈压紧法固定内圈或外圈，通过对外圈或内圈施加载荷预紧。操作简单、可靠，使用范围最广，但是不能精确控制预紧力的大小。2．隔套或者衬垫圈预紧不同厚度的垫片，配合隔套使预紧状态不同，垫片越厚轴承就越紧，反之垫片越薄轴承就越松。操作简单，控制可靠3．弹簧预紧法当轴承安装好之后在轴承的内圈或者外圈安装弹簧，弹簧的力与变形成线性关系，所以通过控制弹簧的变形量就可以控制施加在轴承上的预紧力。可以精确控制预紧力的大小，但可靠性较差，成本较高。2026/8/222.2确定预紧力大小的原则8/22/2026若预紧主要目的是为了减振降噪，提高旋转精度，应选择较小预紧力。若想提高支撑刚性，选择紧预紧，但转速较高时，仍选择较松的预紧。对于中、低速旋转的机械，为了增加刚性，可选择较紧的预紧。一二三2026/8/228/22/20262.3.1主减速器中轴向预紧力的分配主减速器装配完成后，锁紧螺母在拧紧力矩作用下产生一个扭矩，由于斜楔原理将会产生一个轴向力F，通过法兰传递给上轴承内圈，内圈轴向力部分传递给轴承外圈，另一部分传递给调整垫片或隔套再传递给下轴承内圈，然后通过调整垫片传递给主动锥齿轮，其轴向力传递路线如下图2-3。图2-3轴向力传递路线2026/8/228/22/20262.3.2轴承预紧力的计算

图3-2轴承受力平衡图

2026/8/228/22/20262.4主螺母拧紧力矩和轴向预紧力

2026/8/228/22/2026图3-3螺纹受力图

2.4主螺母拧紧力矩和轴向预紧力2026/8/228/22/20262.4主螺母拧紧力矩和轴向预紧力

(2-8)

(2-9)

2026/8/228/22/20262.4主螺母拧紧力矩和轴向预紧力

(2-10)2026/8/228/22/20262.4主螺母拧紧力矩和轴向预紧力

2026/8/228/22/20262.5轴承内圈和轴之间的摩擦力

2026/8/22ANSYS有限元分析8/22/202632026/8/228/22/20263.1模型的简化

图3-1主减速器爆炸图图3-2轴承受力结构简化模型根据受力分析可把支撑轴承的受力结构简化为如下模型:注：主减速器壳体理解为固定平面；法兰简化为对外圈施加外载荷主动锥齿轮简化为对下轴承内圈施加平衡力。2026/8/228/22/20263.2有限元模型计算ANSYS进行有限元分析包括前处理模块、求解模块和后处理模块。本文研究的圆锥滚子轴承分别为30305×2B和30306×2B两种型号，轴承内、外圈均采用淬火处理，滚动体采用表面淬火处理，硬度为HRC58~HRC65轴的材料为45钢，采用表面淬火处理；隔套的材料为45钢，两个端面均进行淬火处理。查机械设计手册可得相关材料参数：轴承套圈与滚动体齿轮轴与轴承内圈隔套和轴承挡边泊松比µ=0.29µ=0.25µ=0.269弹性模量（Gpa）E=207E=211E=209静摩擦系数（有润滑）f=0.01f=0.05f=0.15

材料

参数2026/8/228/22/20263.2有限元模型计算本文采用映射与扫略网格划分，这种方法划分的网格规则，单元数目比较少，计算的速度也会相应较快。选用单元材料类型为SOLID45；对滚动体的材料类型设置为SOLID95单元，这种单元有20个节点，能很好模拟复杂的曲面形状。划分网格后的模型为下图：图3-4局部网格图图3-3减速器完整网格模型为了减轻计算机计算的复杂程度，截取最小的对称单元进行分析，可有效减少计算量，节省计算时间，提高计算精度。2026/8/228/22/20263.2有限元模型计算本文研究的对象采用柔性体——柔体的面——面接触单元，可较好的反应两个弹性面受外载过程中的变形状况。接触对的目标面和接触面分别采用3-D目标单元Target170和3-D接触单元Contal174来模拟。本文研究的主减速器模型共有9个接触对，如下图：

图4-4接触对位置示意图边界条件轴承外圈和主减速器壳为过盈配合，所以定义轴承外圈外表面为完全约束面。8/22/20263.2有限元模型计算

图4-5上轴承受力应变图图4-6隔套受力应变图分析可知：上圆锥滚子轴承的最大应力为252MP，最大位移0.112mm；隔套两端压力为33.9MP，最大应力在圆角处大小为54.4MP。2026/8/228/22/20263.3有限元数值分析

2026/8/22轴承振动动力学分析8/22/202642026/8/228/22/20264.1圆锥滚子轴承的建模图4-1305轴承三维图2026/8/228/22/20264.2轴承振动仿真参数的选取表4-1模型参数2026/8/228/22/20264.3圆锥滚子轴承动力学仿真图4-3圆锥滚子轴承约束图图4-2圆锥滚子轴承动力学模型2026/8/228/22/20264.3圆锥滚子轴承动力学仿真

2026/8/228/22/20264.3圆锥滚子轴承动力学仿真图5-4预紧力10390N时，滚动体运动波动情况图5-5预紧力15000N时，滚动体运动波动情况2026/8/228/22/20264.3圆锥滚子轴承动力学仿真图5-10预紧力18000N时，滚动体运动波动情况图5-11预紧力20130N时，滚动体运动波动情况2026/8/228/22/20264.3圆锥滚子轴承动力学仿真图5-6预紧力10390N时，内圈运动波动