基于MATLAB的轎車(chē)輪轂軸承單元疲勞壽命計(jì)算分析軟件的開(kāi)發(fā)

熊偉，陳國(guó)華，梅松

(1.湖北文理學(xué)院 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，湖北 襄陽(yáng) 441053；2.湖北新火炬科技股份有限公司，湖北 襄陽(yáng) 441004)

軸承疲勞壽命計(jì)算的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有考慮滾動(dòng)體載荷的精確分布，只能得到近似的壽命估算方法[1]。在能得到準(zhǔn)確的滾動(dòng)體載荷分布情況下，應(yīng)優(yōu)先按照Lundberg G和Palmgren A的理論(即L-P壽命模型)來(lái)計(jì)算軸承的疲勞壽命。Harris[2]給出了在不同載荷狀態(tài)下軸承內(nèi)部載荷的分析方法。通過(guò)數(shù)值計(jì)算，能精確求出輪轂軸承內(nèi)部的載荷分布，進(jìn)而獲得軸承各參數(shù)(如接觸角、初始游隙、路況等)對(duì)壽命的影響規(guī)律[3-4]。

轎車(chē)輪轂軸承常采用雙列角接觸球軸承，文獻(xiàn)[5-7]給出了這種形式下載荷求解的具體方程，并進(jìn)行了求解、分析。

1 轎車(chē)輪轂軸承壽命理論模型

壽命分析的基本思路是先分析輪轂軸承單元的受力，包括軸承的徑向、軸向載荷，在得到滾動(dòng)體載荷的精確分布后，再基于L-P模型分析疲勞壽命。限于篇幅，只簡(jiǎn)要分析輪轂軸承壽命計(jì)算的基本模型，并列出了軟件開(kāi)發(fā)中將用到的主要計(jì)算公式，詳細(xì)推導(dǎo)過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)[1-5]。

1.1 軸承載荷的計(jì)算

忽略鋼球離心力、摩擦力和陀螺力矩等的影響，將轎車(chē)輪轂軸承結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為2個(gè)支點(diǎn)的線性剛體系統(tǒng)，通過(guò)建立徑向力、軸向力的平衡方程及位移平衡方程可分別求解出作用于兩列軸承的徑向、軸向載荷及其位移，進(jìn)而求出每個(gè)鋼球的載荷。

1.1.1 徑向載荷的計(jì)算

轎車(chē)輪轂軸承內(nèi)、外列的徑向載荷Fr1，F(xiàn)r2可通過(guò)靜力平衡由(1)和(2)式求出[7]

(1)

(2)

(3)

(4)

S=Sbc+Dpwtanα0，

(5)

式中：W為車(chē)軸質(zhì)量；H和T分別為車(chē)輛質(zhì)心高度和有效輪距；S為兩列鋼球壓力中心距離；Sbc為兩列球組節(jié)圓中心距；Rs為輪胎半徑；k為垂直載荷系數(shù)；ag為側(cè)向加速度；g為重力加速度；Dpw為球組節(jié)圓直徑；e為偏距；α0為初始接觸角；Fzr，F(xiàn)yr分別為輪胎的徑向和軸向載荷。

1.1.2 軸向載荷的計(jì)算[5]

軸向載荷的求解可根據(jù)內(nèi)、外列徑向載荷Fr1，F(xiàn)r2和軸向載荷Fa1,Fa2分別與所有角位置處的鋼球接觸載荷的分量之和相等建立平衡方程，再加上總體軸向力平衡和位移平衡方程，可得到由(6)～(11)式組成的方程組，求解該非線性方程組可得到內(nèi)、外列軸承的徑向、軸向位移(δr1,δr2,δa1,δa2)以及軸向載荷(Fa1,Fa2)6個(gè)未知量[5]。

δa1+δa2+δ0=0，

(6)

Fa1-Fa2+Fyr=0，

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

式中：δ0為輪轂軸承的初始軸向游隙值；

為內(nèi)外溝曲率中心距，A=(fi+fe-1)Dw；fi，fe分別為內(nèi)、外溝曲率半徑系數(shù)；Dw為鋼球公稱(chēng)直徑；ψ為鋼球的位置角；Kn為載荷-位移常數(shù)，可通過(guò)查表或計(jì)算得到[2，4]。

1.1.3 當(dāng)量動(dòng)載荷和額定動(dòng)載荷的計(jì)算

每個(gè)鋼球的工作接觸角αj為

(12)

式中：j=1,…,Z,Z為單列鋼球數(shù)。

每個(gè)鋼球所受載荷Qj為

(13)

對(duì)旋轉(zhuǎn)套圈,其當(dāng)量動(dòng)載荷Qeu為

(14)

對(duì)靜止套圈，其當(dāng)量動(dòng)載荷Qev為

(15)

額定動(dòng)載荷Qc為

(16)

式中：bm為考慮軸承材料性能的提高而引入的系數(shù)，對(duì)于角接觸球軸承bm=1.3[2]；上運(yùn)算符用于旋轉(zhuǎn)套圈即Qcu，下運(yùn)算符用于靜止套圈即Qcv；γ=Dwcosα0/Dpw；f=r/Dw,r為溝曲率半徑。

1.2 軸承壽命的計(jì)算

旋轉(zhuǎn)套圈、靜止套圈的壽命分別為

(17)

(18)

單列軸承的壽命為

(19)

則輪轂軸承單元的壽命為

(20)

式中：L1，L2分別為內(nèi)、外列軸承的壽命。

上述壽命計(jì)算是在單一路況下分析的，實(shí)際中需考慮復(fù)雜路況的綜合作用效果。表1列出了某汽車(chē)廠家的載荷路譜，這時(shí)計(jì)算軸承壽命需先分別計(jì)算每一路況下軸承的載荷分布，再計(jì)算對(duì)應(yīng)的當(dāng)量動(dòng)載荷與額定動(dòng)載荷，然后計(jì)算每一路況下軸承的壽命，最后由(21)式將不同路況下的壽命合成為系統(tǒng)總體壽命。

表1 載荷路譜

(21)

式中：Li為i路況下的壽命；mi為i路況的使用概率。

2 基于MATLAB的軟件開(kāi)發(fā)

在輪轂軸承單元設(shè)計(jì)中，需要快速實(shí)現(xiàn)上述理論分析，為此開(kāi)發(fā)專(zhuān)用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)此功能，軟件的核心功能涉及大量的數(shù)值計(jì)算，因此選用具有強(qiáng)大數(shù)學(xué)計(jì)算能力的MATLAB作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。MATLAB軟件在R2010a之后的版本，均具有較強(qiáng)的界面設(shè)計(jì)能力，并能實(shí)現(xiàn)與其他高級(jí)語(yǔ)言(如C語(yǔ)言)的混合編程[8]。

2.1 軟件總體框架

該軟件系統(tǒng)以計(jì)算模塊為核心，包含繪圖模塊、輸入模塊、輸出模塊和輔助模塊等。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2.2 界面設(shè)計(jì)

基于MATLAB GUI(Graphical User Interface)進(jìn)行軟件界面設(shè)計(jì)[9]。主要用到pushbutton，static text，table等控件，通過(guò)GUIDE生成.fig文件。界面按鈕與主執(zhí)行代碼之間通過(guò)callback函數(shù)聯(lián)系。界面如圖2所示。

圖2 用戶(hù)界面窗口

2.3 輸入模塊

計(jì)算輪轂軸承壽命時(shí)，大量的已知參數(shù)需要輸入計(jì)算系統(tǒng)，主要包括載荷路譜參數(shù)(表1)和輪轂軸承單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)(表2)。系統(tǒng)計(jì)算時(shí)，先獲取必需的輸入?yún)?shù)，設(shè)計(jì)中采用如下2種方法獲取輸入?yún)?shù)。

表2 某車(chē)型輪轂軸承單元結(jié)構(gòu)參數(shù)

(1)在界面uitable控件中直接輸入輪轂軸承參數(shù)和路況參數(shù)。通過(guò)get函數(shù)獲取界面中的數(shù)據(jù)，代碼如下：data=get(handles.uitable1,′data′)，再?gòu)膁ata陣列中獲取各數(shù)據(jù)。

(2)在bearing.xls 和 road.xls中進(jìn)行輸入。可將常用參數(shù)預(yù)設(shè)于上述EXCEL文件中，通過(guò)xlsread 和xlswrite 函數(shù)對(duì)EXCEL文件進(jìn)行讀寫(xiě)操作，并將EXCEL數(shù)據(jù)顯示在界面中。在road.xls文件中可對(duì)路況條件進(jìn)行增減，此程序最多可支持60種路況聯(lián)合作用。

2.4 計(jì)算模塊

計(jì)算模塊是程序的核心內(nèi)容，計(jì)算總體流程如圖3所示。

圖3 計(jì)算模塊流程圖

在求解前述(6)～(10)式組成的非線性方程組時(shí)，可用MATLAB中fsolve函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。fsolve函數(shù)可用于各種規(guī)模非線性方程組的求解，只需對(duì)其選項(xiàng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)置即可，這也是選用MATLAB作為開(kāi)發(fā)工具的重要原因之一。該函數(shù)默認(rèn)采用Newton迭代法求解，但Newton對(duì)初始值要求較高，在初始值偏離較大的情況下可能得不到收斂解。為了降低對(duì)初始值的依賴(lài)，在Newton不滿(mǎn)足終止條件時(shí)，再使用Levenberg-Marquardt 法及trust-region-reflective法等，求解流程如圖4所示。

圖4 非線性方程組求解流程圖

在求解時(shí)，設(shè)置x迭代精度，函數(shù)值精度作為收斂終止條件，同時(shí)設(shè)置迭代次數(shù)，用最大函數(shù)值終止條件來(lái)控制求解所需時(shí)間。幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置為：初始值設(shè)置x0=[5 000,0,0,0];迭代次數(shù)1 000;函數(shù)最大值為1e+12;x精度1e-8。

測(cè)試證明，采用以上多種設(shè)置后，針對(duì)不同輸入條件，方程組均能獲得收斂解。

計(jì)算結(jié)束后，程序?qū)⒂?jì)算結(jié)果自動(dòng)保存在report.xls中，可通過(guò)生成報(bào)告按鈕打開(kāi)該文件，文件中包含了每種路況下軸承各鋼球的受力情況，可供設(shè)計(jì)人員分析使用。

2.5 繪圖模塊

繪圖模塊流程為：繪圖參數(shù)輸入→調(diào)用計(jì)算模塊→圖形繪制并輸出。先通過(guò)繪圖參數(shù)輸入框輸入相應(yīng)繪圖參數(shù)，如數(shù)據(jù)點(diǎn)的范圍和間隔，再用plot函數(shù)繪圖。參數(shù)輸入如圖5所示，圖形結(jié)果如圖6所示。

圖5 繪圖參數(shù)輸入

圖6 圖形結(jié)果

圖中每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)均需迭代法求解，因此調(diào)用計(jì)算模塊進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算量較大，程序所需時(shí)間稍長(zhǎng)。以初始軸向游隙-壽命的關(guān)系圖為例, 部分代碼如下。

%繪圖參數(shù)輸入

prompt={′輸入最小游隙值(mm)′,′輸入最大游隙(mm)′,′輸入繪圖間隔(mm)′}

title1=′繪圖參數(shù)輸入′

lines=[1 40]

answer=inputdlg(prompt,title1,lines)

%調(diào)用計(jì)算模塊

略

figure(2)

plot(You,Zong,′-*r′,You,Nei,′:+k′,You,Wai,′-.ob′,′LineWidth′,2)

xlabel(′初始軸向游隙/mm′)

ylabel(′壽命/(×104km)′)

legend(′系統(tǒng)壽命′,′內(nèi)列壽命′,′外列壽命′,

′Location′,′northwest′)

3 軟件系統(tǒng)的使用與評(píng)價(jià)

源程序經(jīng)過(guò)編譯后可生成EXE可執(zhí)行文件，安裝MCR函數(shù)庫(kù)后，可在脫離MATLAB的Windows環(huán)境下使用。經(jīng)相關(guān)企業(yè)使用證明，該系統(tǒng)的理論方法可靠，軟件能應(yīng)用于轎車(chē)輪轂軸承設(shè)計(jì)計(jì)算中，特別是提供了軸承設(shè)計(jì)參數(shù)(游隙、偏距等)與軸承壽命的關(guān)系，較好地滿(mǎn)足了轎車(chē)輪轂軸承單元的設(shè)計(jì)需求。