我國轎車輪轂軸承單元開發(fā)關鍵技術研究進展

黎桂華 ，周彥平， 龍正英，汪潯

(1.韶關東南軸承有限公司，廣東 韶關 512029；2. 華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣州 510640)

自1938年SKF公司制造的輪轂軸承單元問世以來，輪轂軸承就一直向著高載荷能力、結構緊湊、免維護、高可靠性以及輕量化方向發(fā)展。近年來，SKF公司推出了具有革命性意義的X-tracker不對稱輪轂軸承單元，通過改進輪轂軸承單元力矩剛性的方法解決了制動行程過長的問題[1]。自20世紀90年代初我國部分軸承制造企業(yè)開始設計制造轎車輪轂軸承單元以來，眾多企業(yè)和研究機構進行了轎車輪轂軸承關鍵技術開發(fā)的積極研究和有益探索[2-6]。

傳統(tǒng)的產品開發(fā)周期要1～2年甚至更長。為縮短開發(fā)周期及降低開發(fā)費用，需要在產品開發(fā)早期提供成熟的、質量高的設計方案，這就要求在產品開發(fā)早期應用設計優(yōu)化、性能分析及性能試驗評價等技術。轎車輪轂軸承單元開發(fā)關鍵技術包括受力分析及關鍵性能指標計算、性能分析、設計優(yōu)化、性能評價等方面的技術。這幾個方面的技術緊密相關，構成了自主開發(fā)技術的重要組成部分。

1 受力分析及關鍵性能指標計算

1.1 輪胎載荷

轎車行駛過程中，轎車重量及側向加速度引起的附加載荷會通過輪胎作用于路面。輪胎載荷即轎車行駛過程中路面對輪胎的反作用力，通常包括徑向、軸向輪胎載荷等。文獻[7]設計了城市用轎車輪轂軸承載荷譜的測試系統(tǒng)，介紹了轎車勻速、加速及減速時輪轂軸承載荷譜的測試試驗方法，對城市道路環(huán)境條件下的轎車輪胎載荷進行了測試與特性分析。文獻[8]把轎車的行駛簡化為線性化剛體運動，建立了轎車穩(wěn)態(tài)轉彎模型，對輪胎載荷計算公式進行了推導并分析了輪胎載荷特性。研究結果表明：轎車側向加速度顯著影響輪胎載荷，其對軸向輪胎載荷的影響顯著程度大于徑向輪胎載荷。研究結果為轎車輪轂軸承耐久性試驗載荷譜設計提供了理論依據。

1.2 受力分析

文獻[9]提出了具有普遍性的建立輪轂軸承整體三維有限元接觸分析模型的準則，以某載重汽車用輪轂軸承為例驗證了建模準則的有效性。文獻[10]利用ANSYS建立了雙列圓錐滾子軸承結構的轎車輪轂軸承及其外圍結構的多體接觸有限元(FEM)力學模型，該模型在計算Hertz接觸應力傳統(tǒng)模型的基礎上，耦合了柔性座圈撓曲變形的影響，得出了轎車輪轂軸承內、外套圈3D應力分布以及滾動體載荷隨外部載荷遞增時的變化規(guī)律。文獻[11]考慮了兩列軸承軸向變形協(xié)調關系以及受載后接觸角的變化，對預載荷為零的雙列角接觸球軸承的受力作了分析。轎車輪轂軸承屬于中、低速應用場合，滾動體離心力和陀螺力矩的影響可忽略不計，而且滾動體上的摩擦力和力矩也不會顯著影響載荷分布。文獻[12]基于靜力學分析方法建立二自由度的數(shù)學模型，考慮接觸角的變化和軸向預載荷的影響，采用數(shù)值求解方法可以求解轎車輪轂軸承的載荷分布。圖1顯示了轎車輪轂軸承結構及受載分析[12]。圖2顯示了側向加速度對載荷分布的影響，側向加速度對軸承的載荷分布有決定性的影響[12]。圖3給出了在側向加速度分別為-0.55g, -0.25g, 0g, +0.25g, +0.55g時，外列軸承的載荷分布變化情況[12]。

圖1 轎車輪轂軸承結構及受載分析

圖2 側向加速度對載荷分布的影響

圖3 在不同的側向加速度下軸承中鋼球的載荷分布

2 性能分析

軸向游隙(軸向預載荷)和輪轂偏移量是轎車輪轂軸承重要的開發(fā)設計變量，其對轎車輪轂軸承性能有顯著的影響。文獻[12-14]就軸向游隙和輪轂偏移量對轎車輪轂軸承性能的影響開展了系統(tǒng)研究。

2.1 軸向游隙和輪轂偏移量的影響分析

軸向游隙與輪轂偏移量相比，對輪轂軸承的載荷分布、系統(tǒng)疲勞壽命以及力矩剛性具有更顯著的影響。圖4顯示了在兩種典型的行駛狀態(tài)下，每一列軸承的徑向和軸向位移相對軸向游隙的變化情況。圖5、圖6給出了軸向游隙(軸向游隙為負時即為軸向預載荷)對疲勞壽命和相對傾斜角(力矩剛性)的影響分析結果。圖7、圖8給出了疲勞壽命、相對傾斜角(力矩剛性)受輪轂偏移量的影響分析結果[13]。

圖4 軸向游隙對軸承軸向和徑向位移的影響

圖5 軸向游隙對相對傾斜角的影響

圖6 軸向游隙對輪轂軸承單元疲勞壽命的影響

圖7 輪轂偏移量對疲勞壽命的影響 (δ0=-0.02 mm)

圖8 輪轂偏移量對相對傾斜角的影響

2.2 力矩剛性分析

國外某些公司應用FEM技術開展力矩剛性分析，取得了較為滿意的結果[15-16]。文獻[17]基于靜力學分析方法, 運用APDL參數(shù)化分析技術, 建立了第3代轎車輪轂軸承輪轂凸緣的有限元模型。利用大型有限元分析軟件ANSYS對輪轂凸緣在力矩載荷條件下的力矩剛性進行了接觸分析和計算, 得到輪轂凸緣主軸的傾斜角變化特性。圖9、圖10給出了輪轂軸承單元承受力矩M=2 000 kN·mm時，輪轂凸緣盤的軸向位移云圖和Von Mises應力云圖[17]。結果顯示有限元方法能很好地模擬實際情況，能對其剛性進行很好地預測，也為以后輪轂軸承單元整體剛性分析提供了良好的思路。

圖9 軸向位移云圖

圖10 Von Mises應力云圖

文獻[18]探討了輪轂軸承對車輪晃動的影響。文獻[14]則給出了車輪晃動的理論解釋， “車輪晃動”及“軸承異響”等輪轂軸承失效現(xiàn)象的主要起因基本上可以歸結為軸承的軸向游隙過大。軸承工作時軸向游隙較大，導致軸承相對傾斜角(力矩剛性)過大，最終表現(xiàn)為車輪晃動和/或軸承異響。

3 設計優(yōu)化技術

追求汽車關鍵零部件與整車等壽命是目前汽車行業(yè)的一個發(fā)展趨勢。提高輪轂軸承單元的系統(tǒng)疲勞壽命將有助于提高轎車的安全運行時間和轎車的可靠性，而轎車輪轂軸承的力矩剛性則顯著影響轎車的行駛舒適性、轉向平穩(wěn)性以及安全性。隨著節(jié)能環(huán)保要求的日益突出，轎車輪轂軸承單元也朝著輕量化方向發(fā)展，CAE技術在開發(fā)過程中應用日益廣泛。

3.1 以疲勞壽命最大化為目標的設計優(yōu)化

對于轎車輪轂軸承來說，影響軸承承載能力的結構設計參數(shù)和相關的安裝使用參數(shù)都會對輪轂軸承的內部載荷分布產生顯著影響，進而影響系統(tǒng)疲勞壽命和力矩剛性等輪轂軸承重要性能指標。文獻[4]和文獻[19]研究了運用遺傳算法對雙列角接觸球軸承結構的轎車輪轂軸承進行以疲勞壽命最大化為目標的優(yōu)化設計方法,設計變量包括鋼球個數(shù)、初始接觸角、鋼球直徑、球組節(jié)圓直徑、鋼球的中心距等軸承結構參數(shù)，還包括軸向預載荷、輪轂偏移量等安裝使用參數(shù)。

3.2 整體性能優(yōu)化技術

文獻[20]研究了運用模擬退火算法對雙列角接觸球軸承結構的轎車輪轂軸承進行多目標優(yōu)化設計。圖11給出了當前設計方案和優(yōu)化設計方案[20]。優(yōu)化設計方案無論在系統(tǒng)疲勞壽命還是在力矩剛性方面都要明顯優(yōu)于當前的設計方案，尤其是系統(tǒng)疲勞壽命的優(yōu)勢更加明顯。研究結果表明，模擬退火算法能夠有效地解決離散變量全局尋優(yōu)問題，所有約束得到滿足并獲得整體性能最優(yōu)的輪轂軸承。優(yōu)化設計方案無論在系統(tǒng)疲勞壽命還是力矩剛性方面都顯著地優(yōu)于當前設計方案。

圖11 采用模擬退火的多目標優(yōu)化結果

3.3 輕量化設計技術

輕量化設計不僅能節(jié)省材料成本，而且降低了轎車的能耗，具有很強的應用價值，也將成為將來輪轂軸承發(fā)展的一個重要方向。輪轂軸承通過提高一體化程度來減輕整個車軸的重量，同時也便于維護與安裝；利用有限元方法對目前最常用的第3代輪轂軸承單元進行整體的分析，得出輪轂軸承單元的承載情況，在保證足夠強度的前提下針對載荷小的部位進行結構優(yōu)化，去除多余材料，減輕輪轂軸承單元重量，但是還沒有具體的量化標準及應用指南[21-23]。具有革命性意義的輪轂軸承單元軸鉚合技術[24-25]在我國也得到了廣泛重視，但是尚缺少系統(tǒng)深入研究。

4 性能評價技術

試驗評價是輪轂軸承開發(fā)過程中必須的階段，通常包括耐久性試驗、重載試驗、彎曲疲勞試驗、力矩剛性試驗、密封性能試驗等。在此，僅討論耐久性試驗、彎曲疲勞試驗、力矩剛性測試技術的研究進展。

4.1 耐久性試驗

輪轂軸承耐久性試驗是輪轂軸承疲勞壽命的重要臺架試驗方法。目前我國還沒有建立轎車輪轂軸承耐久性試驗的方法標準，其中試驗載荷譜設計是關鍵。文獻[7]對轎車輪轂軸承在國內城市道路路況的行駛條件下進行了載荷譜測試與分析研究。文獻[26]在對輪胎載荷計算方法研究的基礎上，提出了轎車輪轂軸承單元耐久性試驗載荷譜的設計方法。文獻[27]對輪轂軸承耐久性試驗相關問題進行了分析，提出了采用峭度值輔以溫度監(jiān)控的失效監(jiān)控方法。

4.2 彎曲疲勞試驗

彎曲疲勞試驗是評價輪轂軸承性能的另一項重要指標，轎車輪轂軸承單元凸緣盤必須能夠承受轎車轉彎過程產生的側向輪胎載荷的沖擊。文獻[28]運用一種基于旋轉彎曲和共振條件的疲勞強度試驗方法來考查凸緣盤的疲勞強度，該方法充分考慮了整車狀態(tài)的實際工況和共振的苛刻條件, 根據邁因納線性累計損傷的基本假設，對凸緣盤疲勞壽命進行了FEM計算和試驗，得到了凸緣旋轉疲勞試驗結果的沃勒曲線。

4.3 力矩剛性測試

力矩剛性是角剛度的另一種表述, 是轎車輪轂軸承重要的性能指標。轎車輪轂軸承的力矩剛性顯著影響轎車的行駛舒適性、轉向平穩(wěn)性以及安全性。國內某公司對轎車輪轂軸承單元的力矩剛性開展了較為系統(tǒng)的理論分析及測試研究[18，29]。一般對輪轂軸承單元施加一定的力矩載荷，通過測量輪轂凸緣相對轉向節(jié)凸緣的傾斜角來完成力矩剛性分析, 以實現(xiàn)評價輪轂軸承單元整體力矩剛性的目的。研究結果顯示：輪轂凸緣盤的力矩剛性與力矩載荷之間近似為線性關系，F(xiàn)EM分析結果與實測結果吻合的較好；由兩列軸承位移不同引起的輪轂軸承本身的力矩剛性是輪轂軸承單元整體力矩剛性的主要組成部分，不同結構形式的輪轂軸承單元其各部分在整體力矩剛性中的比重差異較大。研究結果為研究開發(fā)整體性能優(yōu)化的轎車輪轂軸承單元提供了理論指導。轎車輪轂軸承單元的整體力矩剛性試驗結果如圖12所示[29]。

圖12 轎車輪轂軸承單元力矩剛性試驗結果(鎖緊力矩150 N·m)

5 展望

近幾年來我國在輪轂軸承設計開發(fā)和制造技術方面進步明顯，大大縮短了與國際先進水平之間的差距。相關研究結果將能有效地指導轎車輪轂軸承及其他汽車軸承的設計、制造、檢測和應用。但是，與國外著名公司相比，差距仍然巨大。以下方面應該得到輪轂軸承制造廠家和相關研究機構的廣泛重視，并對其進行研究。

(1)在Hertz接觸應力傳統(tǒng)模型的基礎上，耦合輪轂軸承外圍部件的撓曲變形的影響，研究其載荷分布求解方法，以獲得更加真實的輪轂軸承內部載荷分布情況。

(2)研究輪轂軸承的摩擦損耗機理，考慮軸承內部的接觸潤滑狀態(tài)，建立軸承熱損耗分析數(shù)學模型，開展考慮熱損耗因素的關鍵性能分析。

(3)在密封性能設計、輕量化設計以及性能仿真分析等方面基于CAE技術的研究。

(4)研究能更有效地模擬工況條件并反映輪轂軸承失效模式的性能試驗評價方法，包括密封性能、重載、彎曲疲勞強度、力矩剛性試驗等。