柱管軸承在汽車電動(dòng)轉(zhuǎn)向管柱中的校核

朱衛(wèi)民

摘 要：柱管軸承是汽車電動(dòng)轉(zhuǎn)向管柱中的一個(gè)重要部件。本文重點(diǎn)分析轉(zhuǎn)向管柱中各處尺寸及形位公差與柱管軸承載荷的關(guān)系，并校核在各載荷情況下柱管軸承的工作壽命，最終分析轉(zhuǎn)向管柱中各處尺寸及形位公差對(duì)柱管軸承壽命的影響。分析結(jié)果表明轉(zhuǎn)向管柱中各處尺寸及形位公差對(duì)柱管軸承壽命影響效果不同，設(shè)計(jì)中可以重點(diǎn)關(guān)注影響較大的形位公差。

關(guān)鍵詞：柱管軸承；轉(zhuǎn)向管柱；形位公差；載荷；壽命

現(xiàn)在部分汽車所使用的電動(dòng)轉(zhuǎn)向管柱中，在靠近方向盤的一端，均有一個(gè)支撐軸承（以下均稱柱管軸承），該柱管軸承普遍采用普通深溝球軸承，要求在車輛轉(zhuǎn)向過(guò)程中，該柱管軸承應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)平順，并且有足夠的工作壽命。

轉(zhuǎn)向管柱為細(xì)長(zhǎng)的管軸結(jié)構(gòu)，如下圖1，從轉(zhuǎn)向管柱底端的定位軸承到方向盤端的柱管軸承，有較多的零部件過(guò)渡連接。由于各零部件均有加工誤差，會(huì)導(dǎo)致在柱管軸承處的柱管與軸同軸度較差，即柱管軸承內(nèi)外圈的配合面同軸度較差，柱管軸承為了校正該同軸度，需要承受一定的載荷，而該載荷直接影響了軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)平順性及工作壽命。

2 柱管軸承所承受的載荷

2.1軸總成、柱管總成彈性彎曲變形產(chǎn)生的載荷

管柱總成裝車狀態(tài)，受各部位形位公差影響，軸總成與柱管總成不能完全同軸，受各處軸承支撐作用，在各軸承位置，軸總成與柱管總成被約束至相同軸心，軸總成與柱管總成會(huì)出現(xiàn)不同程度的彎曲。在分析過(guò)程中，先假定殼體軸承6005剛性固定，再計(jì)算柱管軸承處軸總成和柱管總成彎曲變形量，可以計(jì)算出柱管軸承受的徑向載荷。該載荷在轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤過(guò)程中，會(huì)周期性變化。

通過(guò)有限元分析，軸總成在柱管軸承處的彎曲彈性系數(shù)為298.3N/mm；柱管總成在柱管軸承處的彎曲彈性系數(shù)為2241.1N/mm。通過(guò)計(jì)算，由于零部件彎曲變形而使柱管軸承承受的徑向載荷為378N。

2.2 軸承內(nèi)外圈夾角（軸總成、柱管總成夾角）產(chǎn)生的側(cè)向彎曲載荷

載荷產(chǎn)生原因同上，在柱管軸承處，上柱管軸承孔與轉(zhuǎn)向軸軸承位不可能完全同軸，會(huì)有一定夾角，從而導(dǎo)致柱管軸承內(nèi)外圈有一定夾角，軸承會(huì)受側(cè)向彎曲載荷。在方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)一周過(guò)程中，軸總成與柱管總成軸線偏移量會(huì)發(fā)生變化，從而柱管軸承內(nèi)外圈夾角也會(huì)周期變化，該彎曲載荷會(huì)隨之周期性變化。通過(guò)計(jì)算，該載荷會(huì)在0N-10105N之間周期性變化。

2.3 方向盤總成自重產(chǎn)生的載荷

方向盤總成自重在柱管軸承徑向有一個(gè)分力，該載荷方向不變。該載荷為18.1N。

2.4 駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤產(chǎn)生的徑向載荷

駕駛員在轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)，會(huì)在方向盤切向產(chǎn)生一個(gè)驅(qū)動(dòng)力，該力由柱管軸承承擔(dān)，假設(shè)該載荷方向不變。該載荷為105.3N。

通過(guò)綜合計(jì)算，柱管軸承承受的綜合載荷在轉(zhuǎn)動(dòng)一周內(nèi)變化情況如下圖2，其平均載荷為5076.7N。

3 軸承疲勞壽命校核

按柱管軸承壽命要求，該軸承工序轉(zhuǎn)動(dòng)3.3×6×4.2=83.16萬(wàn)轉(zhuǎn)。軸承校核壽命不小于該值即為滿足設(shè)計(jì)要求。

3.1 軸承額定動(dòng)載荷

查相關(guān)手冊(cè)并計(jì)算，軸承基本額定動(dòng)載荷C=6298.03N。

根據(jù)前述軸承載荷計(jì)算結(jié)果，軸承當(dāng)量動(dòng)載荷P=5583.1N。

該軸承額定疲勞壽命L==1.435（百萬(wàn)轉(zhuǎn)）。

3.2 軸承工作間隙

該軸承在自由狀態(tài)下，其徑向間隙為0mm-0.01mm。

軸承安裝時(shí)，內(nèi)外圈均過(guò)盈，故外圈收縮、內(nèi)圈膨脹導(dǎo)致徑向游隙減少，外圈滾道直徑收縮量加內(nèi)圈滾道膨脹量即為配合導(dǎo)致的徑向游隙減少量。通過(guò)計(jì)算，軸承間隙減少量ΔD最小為0.005mm，最大為0.043mm。

軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，內(nèi)、外圈會(huì)出現(xiàn)溫差，會(huì)減少?gòu)较蛴蜗?。通過(guò)計(jì)算，溫差導(dǎo)致的間隙減少量δt為0.002mm。

前述分析過(guò)程中，軸承內(nèi)、外圈偏轉(zhuǎn)也會(huì)引起徑向游隙減少。通過(guò)計(jì)算，該減小量ΔDW最小為0.004mm，最大為0.012mm。

即軸承實(shí)際工作時(shí)最小間隙為-0.036mm，最大間隙為-0.022mm，軸承工作在負(fù)游隙狀態(tài)。

3.3 軸承承載疲勞壽命Lε

通過(guò)間隙與軸承承載率ε函數(shù)f（ε）關(guān)系計(jì)算，函數(shù)值最小為-2.418，最大為-1.313。對(duì)應(yīng)Lε/L值查手冊(cè)，對(duì)應(yīng)最小值為0.781，最大值為0.989。

即軸承實(shí)際疲勞最短壽命Lε=0.781×L=0.781×1.435=1.121（百萬(wàn)轉(zhuǎn)），軸承實(shí)際疲勞最長(zhǎng)壽命Lε=0.989×L=0.989×1.435=1.42（百萬(wàn)轉(zhuǎn)）。

4 設(shè)計(jì)參數(shù)調(diào)整對(duì)軸承壽命的影響

各形位公差放寬50%后軸承壽命變化，見下表3。從表3可以看出，部分形位公差對(duì)軸承壽命影響較大，不能放寬，部分形位公差對(duì)軸承壽命影響較小，生產(chǎn)中可以考慮適當(dāng)放寬。

5 結(jié)語(yǔ)

從載荷分析情況看，柱管軸承承受的側(cè)向彎曲載荷遠(yuǎn)高于其它載荷，主要是因?yàn)槠胀ㄉ顪锨蜉S承角間隙很小，基本沒(méi)有調(diào)心功能。現(xiàn)在國(guó)外已經(jīng)開發(fā)出特殊結(jié)構(gòu)的柱管軸承，采用沖壓外圈，滾子采用尼龍圈和鋼絲擋圈預(yù)緊，這種結(jié)構(gòu)的軸承可以有較大的調(diào)心范圍，可以消除軸承的側(cè)向彎曲載荷，軸承具有更長(zhǎng)的工作壽命

在該SUV用無(wú)刷EPS轉(zhuǎn)向管柱設(shè)計(jì)中，采用普通深溝球軸承的柱管軸承壽命能夠滿足要求。柱管軸承工作狀態(tài)內(nèi)部游隙較小，后期可以考慮調(diào)整游隙等級(jí)。設(shè)計(jì)參數(shù)中的部分尺寸及形位公差對(duì)柱管軸承壽命影響較大，在生產(chǎn)條件允許的前提下，應(yīng)盡量嚴(yán)格控制，其它影響較小的可以適當(dāng)放寬。

參考文獻(xiàn)：

[1] 成大先 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第五版），化學(xué)工業(yè)出版社，2008.1.

[2] NSK軸承綜合樣本 CAT.No.CH1103c.