MESYS-轴和轴承的设计制造软件
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通过MESYS的轴计算模块可以根据标准DIN743实现整个轴系及组件的变形、承载及强度的计算,同时还可以分析安装于多个连接轴上的轴承使用寿命。参照标准ISO/TS 16281开发的MESYS滚动轴承计算模块也包含在轴计算模块中,并且考虑了滚动轴承的非线性刚度。

考虑到非线性轴承刚度在安装有超过两个轴承的轴系中可以准确的计算出轴承的承载。轴承的预紧也会在软件中加以考虑。角接触球轴承的组合则可以简单的作为轴承组定义。

      

软件中可以定义多个轴以及相互之间通过滚动轴承或通用支承的连接。切向和轴向的变形将加以考虑,同时可以任意选用非线性的轴模型。

计算结果将在结果概览页面“results overview”中给出,另外还有针对轴承计算结果的附加表格,多张计算结果图和带有结果图的完整PDF计算结果报告。

柔性销连接的行星齿轮

作为使用多轴连接的案例是使用柔性销连接的行星轮支承。柔性销被固定在左边的行星架上。在此案例中安装在柔性销上的空心轴通过一对圆锥滚子轴承和行星轮相连接。从轴的偏移量图中可以得出,行星轮始终保持水平并且缘于其构型而始终在水平方向移动。由于向心力的作用同组的两个轴承承载相同的载荷。轴向载荷则通过轴承的接触角而导入。

 

载荷谱

计算也可以针对载荷谱进行。载荷谱的各分部可以从表格中选取如分量载荷、转速和温度等。除了针对整个载荷谱运行外,也可以只针对载荷谱的单个分部计算。

自振频率和模态振型

自振频率的计算会考虑轴的弯曲、轴向偏移及扭转模式。这些模式可以叠加在一起,如下图中就是轴向模式(红色)和弯曲模式(蓝色)相叠加。弯曲模式的引入是由于考虑到轴承的弹性刚度。

 

针对每个轴可以定义附加的质量块,对此将考虑引起的陀螺效应。软件中也提供与此对应的坎贝尔图。

坎贝尔图

在坎贝尔图中给出轴的自振频率和转速之间的相互关系。在图中针对各种不同的模式如轴向偏移、扭转和弯曲采用不同的颜色加以标出。

对于生成坎贝尔图的计算步骤数量及计算范围可以根据需求选取。针对临界频率的计算结果报告可单独生成。

 

平行轴系统

软件可针对平行轴系统建模。该系统可以通过圆柱齿轮副连接在一起。同样通过软件也可以定义多级行星轮传动系统。

在系统中轴的转速可以通过使用的约束计算出来。载荷谱和功率流的配置可以按需要进行定义。

 

考虑到运行中的啮合刚度齿轮副被视作线载荷。针对齿宽方向的载荷分布有必要采用相应的齿廓修形。

 

对于整个系统在软件中除了可以定义作用于轴上的单个载荷元素外,也可以定义所有和齿轮相关的输入数据。

针对齿轮副的计算还可以借助于其他带有接口连接的相关计算软件。所有齿轮组的安全系数可以在软件的计算结果概览中获取。

系统自振频率

自振频率也可以针对整个系统进行计算。通过齿轮副引起了轴向、扭转及弯曲模式的叠加。对应的模态振型可以通过软件的三维动画模拟。

强度分析

轴的强度可以根据DIN743 (2012)标准进行计算。标准中带有的所有缺口效应系数都可以在软件中选取。

根据DIN743标准的第四部分在软件中既可以计算针对载荷谱中单个载荷的疲劳寿命,也可以计算针对整个载荷谱等效应力幅值的疲劳寿命。

参照标准ISO/TS 16281进行滚动轴承计算

      ISO/TS 16281标准是用于计算轴承寿命的最近版本。轴承寿命的计算是通过使用载荷在各个滚动元件上的分配来确定的。因此针对寿命计算不仅仅局限于外载荷,同时还考虑外加力矩及轴承游隙和预紧力的影响。对于轴承的五个自由度中的任意一个既可以通过施加载荷,也可以通过位移量或旋转角度来给定。

      根据标准ISO281(2007)在轴承的寿命计算中关于润滑剂使用的影响也可以加以考虑。润滑剂的影响主要是通过参考润滑粘度比k或油膜厚度Y来确定。在计算结果中将提供各自轴承的寿命(有润滑/无润滑)进行比较。

软件输入应涉及项:

  • 轴承游隙
  • 受热效应影响的轴承游隙的改变
  • 受公差配合影响的轴承游隙的改变
  • 滚子外形
  • 离心力
  • 硬度降低导致的轴承寿命降低
  • 润滑剂和润滑油膜厚度
  • 载荷谱
  • 轴承组
  • 混合轴承或陶瓷轴承
  • 可靠性
  • 滚轮外圈的弹性变形(扩展模块)

软件输出项为:

  • 轴承中的载荷分配
  • 赫兹接触应力
  • 选定的所需硬化深度下的表面应力
  • 球轴承的与载荷相关的摩擦力矩
  • 承载摩擦角
  • 轴承的偏移和倾斜
  • 最小油膜厚度
  • 旋滚比
  • 压力椭圆的扩展
  • 组轴承中的载荷分布

典型应用

承受弯矩的单个轴承

一般来说,应该设法避免有弯矩作用于轴承上,但是在滚轮或回转支承上弯矩却往往是主要的外载荷。

对于滚动轴承通过软件可以检测出弯矩对于载荷分布和轴承寿命的影响。

适用轴承类型

总体架构

滚动轴承分析

• 载荷分布                                                                                          • 基于SIO/TS 16281的寿命计算

• 考虑游隙影响,倾斜角影响,离心力与载荷谱的计算                      • 滚子与外圈变形

• 参数分析

轴分析

• 集成轴承分析与非线性轴承刚度                               • 基于DIN 743的强度计算

• 固有频率                                                                   • 同轴分析

• 载荷谱输入                                                                • 参数化分析

轴系分析

• 通过齿轮副配对                                                      • 数据交互与齿轮计算

• 旋转速度计算                                                          • 系统级固有频率计算

• 载荷谱输入及换挡

回转支承轴承(FEM)

• 基于有限元分析的回转支承轴承计算

• 考虑到圈变形

滚珠丝杠

• 滚珠丝杠在轴向和径向载荷和倾覆力矩下的负荷分配计算

• 基于ISO/TS 16281的寿命计算

该软件支持 windows32或64位版本以及OSX。用户界面和报告之间可以交换不同的语言。

支语英语、德语、法语、西班牙语、中文和韩语。

基于 ISO/TS 16281轴承寿命计算

• 轴承寿命的计算根据ISO/TS 16281(2008)最新的标准化版本的轴承寿命计算。

• 轴承的寿命是使用负载分布在每个滚动计算,因此不限于外部力量但也可以考虑倾斜力矩和游隙或预紧力的影响。

• 每个自由或者负载或位移/旋转五度可以指定。

• 与传统的计算根据ISO 281在预期寿命的润滑剂的影响也可以考虑。

软件考虑的影响因素

• 轴承游隙                             • 由于温度引起的游隙变化                 • 由于原件搭配产生的游隙变化

• 滚子轮廓                             • 考虑离心载荷                                   • 由于硬度降低导致的寿命减少

• 润滑油及油膜厚度               • 载荷谱                                             • 多列轴承

• 混合式或陶瓷轴承               • 可靠性                                             • 外圈弹性变形

 输出结果

• 轴承的载荷分布                                                                • 赫兹接触应力

• 为确定所需的硬度深度的表面应力计算                            • 负载相关的球轴承的摩擦力矩

• 负载下的接触角                                                                • 轴承变形与倾斜

• 最小油膜厚度                                                                    • 旋滚比

• 极限接触角(爬坡)                                                              • 多列轴承载荷分布

倾斜力矩下单轴承计算

一般来说,应该避免轴承上的倾斜载荷,但在滚轮或回转支承的倾翻力矩可能是主要负载,对于滚子轴承的负载分布或寿命的影响可以进行检查。

三列角接触轴承

角接触轴承一般是多列组合使用,但对于单轴承间的载荷分布计算是非常困难的,使用该软件对载荷分布、寿命和刚度的计算取决于轴承的预紧情况设置,软件可以为每个单独轴承设置预紧力。 因此这也允许用户检查预紧力是否足够大或者轴承在各个工况下是否得到相应的负载。

游隙和预紧力的影响

有关轴承游隙和预紧力对轴承寿命和负载分布的影响是可以评估。标称间隙可以选择C2 C4级..根据标准或用户自定义一个数值。轴承公差等级可以作为P2和P0,轴和轴承的公差符合ISO 286。也可以由用户自定义输入。需要考虑到配合,热效应和离心载荷因素,再来确定的工作(operating)游隙。

随着参数的变化,游隙对轴承寿命以及压力的影响可以清晰的从软件中获取到。

高速

在大多数情况下,轴承内圈的负载要高于外圈的负载,高速会引起离心力的变化。接触角也会随之变化。

支撑行星轮的多列滚子轴承

行星齿轮在行星齿轮组可以支持使用几个圆柱滚子轴承。使用螺旋齿轮将导致除了径向载荷之外还会产生倾斜力矩。这个倾斜力矩必须由轴承座支承。轴承间隙对齿轮接触角和齿轮接触最小,在轴承内的载荷分布情况下,应避免倾斜应力的影响。这里的一个例子的负载分布在一组三个圆柱滚动轴承具有不同的间隙显示。

四点接触回转支承轴承

常用于大型回转环的轴承类型单列或双列四点接触轴承,三列滚子轴承。

单列或双列四点接触轴承配置可以使用该软件进行分析。

重要的输出结果:接触应力,摩擦力矩和表面剪切应力(用来确定必要的硬度深度)。

可以根据 NREL DG03标准,降低滚道硬度来计算轴承寿命与静态安全系数。

在四个(或者八个)接触点的情况下进行应力计算,因此你会知道四点的关系,是否接触,发生频率等。

有多种载荷存在的情况下可以通过载荷谱进行计算。

滚轮特性

相比于轴承外圈是被壳体所支撑的,滚球则没有这样的支撑。

在外圈上一个点引入载荷。

外环的变形也通常更强硬的原因在正常轴承外环。

轴承分析软件外圈扩展模块允许外环几何的定义和在外圈几个位置上加载轴向与径向载荷。然后在考虑外圈弹性变形的基础上计算载荷分布。

支持多列轴承。在当前版本中该模块可以用于以下轴承的计算:深沟球轴承,径向角接触轴承,径向四点轴承和径向圆柱滚子轴承。

有效载荷能力

考虑到不同载荷分布的情况,滚球通常会减少有效载荷能力。软件会计算许可径向载荷与有效载荷,考虑一个滚动原件的位置来计算负载能力是非常重要的。

几何尺寸与载荷

外环几何形状可以用一个多边形和半径来定义。也有不对称截面出现的可能。第二个动量和重心的位置可以被计算出来或者他们可以直接由用户提供。外圈载荷可以被分配到几个点上:唯一的限制是轴承上的零扭矩 。

结果

除了与刚性轴承计算结果相同之外,还增加了轴承滚球,有限载荷,许可径向载荷,外圈应力,外圈变形等结果。

MESYS轴计算

Mesys轴模块能依据DIN 743计算轴的位移、受力、强度,以及平行轴系的轴承寿命。Mesys滚动轴承模块可根据ISO/TS 16281计算滚动轴承,软件也包含滚动轴承的非线性刚度的计算。

因为考虑了非线性轴承刚度,所以软件能准确计算带多个轴承的轴的受力。轴承的预紧力也考虑在内。角接触轴承的组合可以简单地视为轴承组。

轴的几何形状可以使用任意多数量的圆柱形和圆锥形的元素来定义内部和外部形状。几何形状可使用表格来输入。

载荷可以被分为同心或偏心力,或考虑为像齿轮一样复杂的负载。

边界条件是一些刚性约束、带位移的弹性约束,滚动轴承的游隙和刚度。

负载或约束的数目没有限制,还可以考虑轴承座的刚度。

几个同心轴可以被滚动轴承或常规支承定义和连接。

考虑剪切和轴向变形,可以选择使用一个非线性轴模型。

参数化分析,可以自动预选参数的变化和展示相应的图形结果。

软件为用户提供一个概览性的结果报告,包含各个结果的图表,并可以直接生成包含所有计算结果的PDF格式报告 。

载荷谱

可以使用载荷谱导入计算,载荷谱中元素可以从负载、速度、温度中选择。此外,属于整个载荷谱任何一行内容都可以独立运行。

强度计算

轴强度可以根据DIN 743计算。

所有的槽口输入都可以在软件中选择。根据DIN 743第4部分涉及载荷谱的计算,既可以针对单个加载也可以借助载荷谱等效幅值运行无限使用寿命的计算。

固有频率计算

固有频率计算考虑轴弯曲,轴向拉压和扭转三种模态。

因为轴承刚度,这些模态可以叠加,如这里看到的轴向拉压模态(红色)与弯曲模态(蓝色)可以为每一个轴定义附加质量。

软件可以考虑陀螺效应,也提供坎贝尔图。除二维视图,还提供三维动画。

坎贝尔图

频率的速度的相关性可以坎贝尔图中显示。轴向,扭转和弯曲模态用不同的颜色显示。生成图的计算步骤的限制条件和数值是可以配置的。

可以出一个单独的临界频率报告。

柔性销的行星齿轮

举一案例,使用几个带柔性销同心轴支撑行星轮。销被固定于行星架左侧。这个例子中,销在中空轴上,轴连接行星齿轮和圆锥滚子轴承。在图中可以看到挠曲变形,齿轮保持水平,只是水平移动。由于两个轴承是同心加载,因而传递相同的负载。用轴承接触角来导入轴向载荷。

 MESYS轴系计算

轴的计算可以扩展到包括轴系统的计算。由于版本限制,此模块中,圆柱齿轮啮合的平行轴系可用,在另一扩展版本任意交错的行星齿轮组,锥齿轮或蜗轮轴系可用。

基于轴上齿轮的啮合,轴的转速是可以计算的。

在计算其载荷谱,只需要定义的输入值;所有的内力和转速可以计算。

换档的变速箱考虑可以通过软件中的“Configurations配置”来实现 。

可提供以下结果

  • 轴的转速
  • 齿轮副扭矩
  • 根据DIN743计算的轴强度
  • 齿轮安全系数(通过外部程序计算)
  • 轴承寿命计算(ISO/TS 16281与ISO 281)
  • 每根轴弹性变形曲线与受力图

齿轮啮合

除了在轴模块的受力元素对话框输入齿轮存在的参数,关于齿轮副的参数可在连接页输入。

圆柱齿轮可以被视为带有预定义啮合刚度的线负载。在软件中,沿齿宽的载荷分布给必要的齿面修形提供了一个依据。

齿轮数据可以与齿轮计算程序交换。

安全系数在每一个计算过程背景下随时更新,并显示在结果概览中。

通过轴系计算与齿轮计算程序的接口, 所有的相应的信息保存在轴系数据里。

行星轮

在行星齿轮系的计算过程中所有行星齿轮都会被考虑到计算过程中,因此轴被行星齿轮环绕,载荷、变形和啮合刚度被各个行星齿轮所分担。

定位

可以根据 groups、轴和齿轮的位置定义不同的条件,这样轴的位置就可以根据传动装置的数据自动计算出来。

配置

所谓配置允许用户激活和停止先前定义的任何耦合条件,通过这个功能就可以模拟和计算变速箱的换挡,每个被创建的配置都可以通过一个载荷谱来选择,就好像它是一个真实的负载案例。

系统固有频率

软件也可以计算系统级的固有频率,  齿轮对会导致轴向的耦合、扭矩和弯曲模式,模型的形状可以通过3D视图动画展示。

结果

软件可以计算出不同层级的结果。有系统级的结果,如轴的强度和齿轮的最小安全系数或最低预期寿命,同时也有每个轴承、轴承组、轴及其相应的截面分析的数据概述。软件除了可以生成包含轴承和齿轮计算的主要结果的表格,  还可以生成一份总的报告,包含每一个轴承和每一对齿轮的详细计算结果。

轴向径向滚子轴承的轴承计算

软件考虑基于有限元计算的齿轮外圈的变形进行轴向径向圆柱滚子轴承的计算。选择对称结构件的几何形状可以由用户通过折现来定义。它可以任意定义圆柱滚子的数量。软件支持的齿轮类型如下:

  • 轴向径向圆柱形滚动轴承
  • 向心圆柱滚动轴承
  • 交叉滚子轴承
  • 圆锥滚子轴承

另外,在一个或多个螺栓连接的螺栓预紧力也会被软件考虑,载荷会被加载到表面或者某一特定点处。为了定义刚性,软件可以进行一系列的变化的载荷和载荷谱的计算。通过一系列的图片和PDF报告,软件可以生成以下结果:

  • 沿滚轴长度方向的滚轴载荷的分布和各个滚轴间分享的载荷
  • 根据ISO/TS 16281计算的每个轴承列和系统的名义和修正寿命
  • 两个任意合格点定义的变形和刚度
  • 最大和最小的螺栓载荷
  • 3D或在按照一个选定的角度的轴向截面的2D视图夸张变形的图形展示

 滚珠丝杠计算

在大多数情况下滚珠丝杠的载荷是轴向的。因此,滚珠丝杠的预期寿命ISO 3408-5只考虑了轴向载荷。

软件根据轴向、径向载荷和倾斜力矩计算滚珠丝杠的载荷分布。根据赫兹应力理论,载荷分布的计算是基于绝对螺丝和绝对螺母的滚珠的刚性接触的假设。通过软件的“配置”功能可以计算预应 力的螺母。滚道可以设计为哥特式拱门 和全半径。

预期寿命可以通过载荷分布根据ISO/TS 16281类似计算。载荷能力可以通过ISO 3408-5或者与ISO 281/ISO 76类似的方法计算。

参数的变化允许自动组合和输入值的变化,以及计算结果的图形化表示。

软件可提供以下结果:

  • 依据ISO/TS 16281的参考额定寿命
  • 滚动体之间的载荷分布
  • 反作用力/时间和位移/转速
  • 接触压力
  • 根据球的轴向位置的接触角
  • 静态安全系数

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