帶有ABS傳感器的新型輪轂軸承單元的設計

張 鋼，劉汝衛(wèi)，殷慶振，阮 娟

（上海大學 機電工程與自動化學院，上海 200072）

輪轂軸承單元是汽車的關鍵零部件之一，其主要作用是承載重量和為輪轂的轉動提供精確引導。當前，轎車輪轂軸承逐步向單元方向發(fā)展，由單一的軸承變?yōu)榧奢S承、輪轂及防抱死制動系統(tǒng)（Anti-locked Braking System，ABS）傳感器的功能部件。文獻［1］論述了NSK第3代輪轂軸承單元的開發(fā)，從預載荷控制和測量以及輪轂軸承單元的密封技術等方面重點介紹了NSK輪轂軸承單元的最新技術。文獻［2］介紹了帶有ABS傳感器的輪轂單元結構。以往的輪轂軸承單元多采用磁電式傳感器，頻率響應不高，現(xiàn)在國內(nèi)、外ABS的控制速度范圍一般為15～160 km／h，今后要求控制速度范圍擴大到0～300 km／h或更大，這就對輪速傳感器提出更高的要求。

國內(nèi)目前對于ABS輪轂軸承單元的研究相對比較少，且多為理論探索，離實際應用還有很長的路程。對此，文獻［3］進行的速度檢測型傳感器軸承的設計，闡述了霍爾傳感器的結構以及速度、轉向測量的原理，進行了基于霍爾傳感器的智能軸承的結構設計。這里采用頻率響應更高的霍爾傳感器來檢測輪速，并結合國內(nèi)、外現(xiàn)有第3代輪轂軸承單元技術，最終設計出一種基于霍爾傳感器的新型汽車輪轂軸承單元，實現(xiàn)更大范圍的速度檢測，以適應未來汽車輪轂軸承單元的需要。

1 整體結構設計

所設計的新型ABS輪轂軸承單元結構如圖1所示，是在第3代汽車輪轂軸承單元的基礎上保持軸承與汽車的接口尺寸部分，改進內(nèi)部結構，并結合霍爾傳感器而組成的一種具有防抱死功能的新型輪轂軸承單元。其中，內(nèi)凸緣的軸頸靠近半內(nèi)圈外側端面處設有方形環(huán)形槽，該環(huán)形槽設有內(nèi)圈止位擋圈，擋圈的截面為與環(huán)形槽相配的方形，并且擋圈由兩個半圈構成。

該輪轂軸承單元的內(nèi)凸緣通過5個M10的螺栓連接到剎車盤上。為進一步減輕質(zhì)量，在保證剛度的前提下，此輪轂軸承單元的外圈是通過3個M10的螺栓與車輛的懸掛系統(tǒng)相連接的，并與霍爾傳感器單元結合為一個整體。

圖1 具有霍爾傳感器的ABS新型輪轂軸承單元

將傳感器固定在軸承外圈上，環(huán)形磁體固定在軸承內(nèi)圈上。當軸承內(nèi)圈轉動時，環(huán)形磁體隨之轉動，而霍爾傳感器保持固定，即可實現(xiàn)對轉速等信息的測量，然后與電子控制單元、制動壓力調(diào)節(jié)器共同構成汽車的ABS系統(tǒng)。

現(xiàn)有的第3代轎車輪轂軸承單元內(nèi)凸緣軸頸上設有半內(nèi)圈定位臺階，通過臺階來調(diào)節(jié)半內(nèi)圈和鋼球之間的間隙，進而對整套輪轂軸承單元的預緊力進行有效地調(diào)整。因此該臺階的加工精度直接影響到整套輪轂軸承單元裝配的精度，而目前內(nèi)凸緣軸頸上的半內(nèi)圈定位臺階一般是在車床上加工而成，精度不高，造成產(chǎn)品裝配合套率偏低，因此可靠性和壽命也較低。

新型輪轂軸承單元取消了內(nèi)凸緣軸頸上的半內(nèi)圈定位臺階，從而避免了該定位臺階對產(chǎn)品組裝精度的影響。在內(nèi)凸緣軸頸上設環(huán)形槽，槽內(nèi)設擋圈與半內(nèi)圈限位配合。由于半內(nèi)圈可以單獨加工，精度較高，進而整套輪轂軸承單元裝配合套率明顯提高，方便了對整套輪轂軸承單元預緊力的調(diào)整，產(chǎn)品的可靠性和壽命也有所提高。

為了更加形象直觀地觀察和以后的實體應力分析等，用PRO／E三維軟件繪制出此輪轂軸承單元各個部件的實體結構圖，如圖2所示。

2 基于PRO／E族表的系列化設計

重點介紹利用PRO／E族表［4］對輪轂軸承單元進行設計，通過完全的人機交互式演示來詳盡說明輪轂軸承單元的系列化設計。在設計過程中，輪轂軸承單元參數(shù)的變化引起相對應模型的自動更新。鑒于輪轂軸承單元由多個零件組成，在此僅以輪轂軸承單元的內(nèi)圈凸緣為例加以介紹。

圖2 輪轂軸承單元裝配圖

2.1 確定內(nèi)圈凸緣的設計參數(shù)

首先確定族表中的驅(qū)動對象，即確定內(nèi)、外圈零件中的驅(qū)動參數(shù)或尺寸。具體步驟為：“插入”→“旋轉”→“放置”→“定義”→“草繪”，繪制如圖3所示的草繪截面。

圖3 內(nèi)圈凸緣的草繪截面

繼而利用“旋轉功能”生成內(nèi)圈凸緣的旋轉實體模型，如圖4所示。

圖4 內(nèi)圈凸緣的旋轉實體

為了使輪轂軸承單元內(nèi)圈凸緣的尺寸符號符合習慣用法，可選中要修改的尺寸符號，選擇“信息”中“切換尺寸”，使尺寸轉換為可以修改的狀態(tài)下，右鍵選擇“屬性”，選擇“尺寸文本”來進行修改（文中修改為A1，A2，B1，B2，K1，K2）。

2.2 創(chuàng)建內(nèi)圈凸緣的族表

首先，選擇“工具”“族表”即可進入族表的定義對話框，單擊“添加／刪除表列”選項中的“添加項目”，即可依次添加控制輪轂軸承單元內(nèi)圈凸緣的結構控制尺寸（內(nèi)徑、外徑、內(nèi)徑寬度、內(nèi)圈凸緣總寬度、環(huán)形槽寬度等尺寸），如圖5所示。

圖5 添加內(nèi)圈凸緣需要控制的尺寸

其次，選擇“工具”-“族表”-“在所選行處插入新的實例”，添加不同型號輪轂軸承單元的實際尺寸，如圖6所示。

圖6 內(nèi)圈凸緣族表的創(chuàng)建

然后用“校驗”選項確保每個實例的正確性并保存，如果校驗不成功，則需要重新調(diào)整參數(shù)直到校驗成功為止。

輪轂軸承單元其他零件族表的建立可參考內(nèi)圈凸緣族表的建立步驟，然后創(chuàng)建其相應的族表并進行校核，同樣可自由調(diào)用。

以輪轂軸承單元內(nèi)圈凸緣為例，如果希望建立輪轂軸承單元的族表，則需利用PRO／E的裝配功能加以實現(xiàn)。首先，以“組件”的形式創(chuàng)建一個新的文件，選擇“插入”“元件”“裝配”，從保存目錄下選取一個輪轂軸承單元內(nèi)圈凸緣的實體模型，約束定位“缺省”即可滿足要求，用同樣的方法再從保存目錄下選取輪轂軸承單元的其他零件，比如輪轂軸承單元外凸緣，由于此處的輪轂軸承單元內(nèi)、外凸緣的裝配較為簡單，可選擇為“對齊”“匹配”等約束，即可實現(xiàn)輪轂軸承單元的裝配。依次逐步實現(xiàn)輪轂軸承單元各個零件的裝配，實現(xiàn)整個輪轂軸承單元的族表建立。

3 傳感器單元的設計

3.1 設計原理

與其他能夠?qū)崿F(xiàn)速度檢測的傳感器相比，霍爾傳感器具有壽命長、動態(tài)響應好、可高速測量、抗污染能力強等優(yōu)點。集成霍爾傳感器是在制造硅集成電路的同時，在硅片上制造具有傳感器功能的霍爾效應器件，從而使集成電路具有對磁場敏感的特性。

如圖7所示，永磁體的磁力線穿過霍爾元件通向齒圈，當齒圈旋轉時，霍爾元件和齒圈之間的間隙交替發(fā)生變化，磁場強度也隨之發(fā)生改變，從而引起霍爾電壓的變化，霍爾元件輸出mV級正弦波電壓，經(jīng)放大、施密特整形后輸出幅值穩(wěn)定的方波脈沖，根據(jù)所產(chǎn)生的脈沖數(shù)目即可計算出車輪轉速。

圖7 霍爾元件測速原理圖

3.2 環(huán)形磁體材料的選擇

用一個N-S極間隔分布的環(huán)形磁體代替圖7中的感應輪，來作為霍爾元件的觸發(fā)源，如圖8所示。對于環(huán)形磁體，要求其在具有多對磁極的情況下，仍保持很高的表面磁場強度。但隨著磁極數(shù)的增加，表面磁場強度呈迅速衰減趨勢，因此環(huán)形磁體的材料要具有高磁性能的特點。

圖8 環(huán)形磁體示意圖

被稱為第3代稀土磁體的Nd_Fe_B磁體，無論是矯頑力還是最大磁能積，相比其他材料都具有更高的性能，因此成為首選。其具體參數(shù)為：矯頑力Hc＝500 kA／m，殘留磁通密度Br＝0.66 T，最大磁能積（BH）max＝80 kJ／m3。

3.3 環(huán)形磁體的設計

為了實現(xiàn)環(huán)形磁體對霍爾傳感器的有效觸發(fā)，應該使霍爾元件的中心線和環(huán)形磁體寬度的中心線重合，同時環(huán)形磁體的寬度應該比霍爾元件寬度大。但考慮到輪轂軸承單元的尺寸限制，環(huán)形磁體的寬度不能太大。為了獲得正確的方向和速度信號，圖8中的兩個霍爾檢測器的輸出信號必須維持90°的相位差，這就要求霍爾元件間距以及環(huán)形磁體的磁極寬度應該滿足：

式中：T為磁體周期（即一對N-S磁極的寬度），n為正奇數(shù)。在此，n取值為1，則T＝4 mm，即環(huán)形磁體的寬度為4 mm。

環(huán)形磁體的厚度對磁場也有著很大的影響，當環(huán)形磁體的厚度太小時，表面的磁場強度也比較小，同時隨著距離的增加強度會迅速減小，無法保證有效觸發(fā)。為了保證環(huán)形磁體對霍爾傳感器的有效觸發(fā)，必須保證一定的厚度。當然，受尺寸限制，環(huán)形磁體的厚度也不能過大，在此將環(huán)形磁體的厚度設為4 mm。

傳感器主體有兩個位置相反的感應元件，可提供雙倍數(shù)量的脈沖，這里環(huán)形磁體取N-S極為64對，即能每轉一圈可提供128個脈沖。可以通過脈沖的上升邊沿和下降邊沿來實現(xiàn)速度信號的處理，這樣便可獲得256個脈沖，相應的分辨率為1.4°。

兩個位置相反的感應元件可以用來確定轉動的方向。在該集成電路中包含了作為激發(fā)元件的霍爾觸發(fā)器，以及用作信號放大和轉換的電子電路。通過施密特觸發(fā)器將霍爾傳感器產(chǎn)生的模擬正弦信號放大并轉換為方波信號，然后由超前的信號來確定轉動的方向，如圖9所示。

圖9 模擬信號轉換圖

3.4 傳感器單元的結構設計

霍爾傳感器單元的結構如圖10所示，內(nèi)側的環(huán)形磁體通過支架安裝在輪轂軸承單元的內(nèi)凸緣端面上，外側的霍爾傳感器主體通過過盈配合附加在輪轂軸承單元外凸緣的非密封端面上，為了能夠?qū)崿F(xiàn)有效地觸發(fā)，使兩者之間保持1 mm的距離。其具體結構如圖11所示。

3.5 密封性及磁屏蔽的結構設計

帶有霍爾傳感器的輪轂軸承單元除寬度不同外，其他主要尺寸及內(nèi)部結構與不帶有防抱死功能的輪轂軸承單元相同。設計堅固的傳感器座可承受一定載荷并與半內(nèi)圈實現(xiàn)過盈配合，環(huán)形磁體的形狀和傳感器主體分別形成兩個Γ形來實現(xiàn)迷宮密封，可使軸承免受污染，并防止軸承內(nèi)的潤滑脂外溢。

圖10 輪轂軸承傳感器單元的結構示意圖

圖11 霍爾傳感器單元局部放大圖

傳感器在工作中主要考慮靜磁屏蔽和電磁屏蔽兩種情況。靜磁屏蔽是利用高磁導率μ的鐵磁材料做成屏蔽罩以屏蔽外磁場。電磁屏蔽的情況較為復雜，因為電磁場在導電介質(zhì)中傳播時，其場量（E和H）的振幅隨距離的增加而按指數(shù)規(guī)律衰減。這里選擇坡莫合金作為屏蔽材料，詳細結構如圖11所示，其相對磁導率μ為10 000。

4 結束語

在汽車第3代輪轂軸承單元基本結構的基礎上進行改進并結合霍爾傳感器設計了一種新型輪轂軸承單元。其不僅具有第3代輪轂軸承單元的技術特點，而且采用的霍爾傳感器，還具有壽命長、動態(tài)響應好、可高速測量、抗污染能力強等優(yōu)點。

PRO／E族表為機械產(chǎn)品的系列化生產(chǎn)帶來了極大的方便，設計人員只要設計出零件的某些相關尺寸，然后通過族表實現(xiàn)尺寸的列表化，由尺寸驅(qū)動特性來實現(xiàn)產(chǎn)品的系列化生產(chǎn)。