商用車免維護輪轂軸承單元中間密封結(jié)構(gòu)分析

◎文/魯?。ò不杖A菱汽車有限公司）

商用車驅(qū)動橋免維護輪轂軸承單元在使用中，有相當比例的產(chǎn)品，會因為中間橋包的齒輪油通過軸承單元兩個內(nèi)圈之間的接縫處流入軸承內(nèi)部，導(dǎo)致軸承單元早期失效。因此有必要為其設(shè)計開發(fā)可靠的中間密封，以有效阻擋齒輪油的進入。

一、商用車驅(qū)動橋輪端結(jié)構(gòu)

商用車驅(qū)動橋中間帶有一個裝有減速機構(gòu)的橋包，包內(nèi)盛有齒輪油。車輛行駛時，橋包中減速機快速運轉(zhuǎn)的同時，也將齒輪油飛濺到軸管中。由于商用車輪轂軸承單元是外圈旋轉(zhuǎn)，且與車軸間隙配合，因此在軸的下表面與軸承內(nèi)徑間會出現(xiàn)間隙，而順著軸管流淌的齒輪油在軸端流出后，可能會流入這個間隙，進而通過軸承單元兩個內(nèi)圈間的接縫流入軸承內(nèi)部，見圖1。

圖1 齒輪油進入輪轂軸承單元的路徑

二、免維護輪轂軸承單元及其中間密封的結(jié)構(gòu)分析和研究

1.中間密封結(jié)構(gòu)設(shè)計

首先設(shè)計了方形密封橡膠環(huán)結(jié)構(gòu)，見圖2（1）；為了減小橡膠環(huán)在密封安裝被夾持時，大塑性變形引起的材料堆積的影響，在其加持帶的上方設(shè)計有一圈凹槽，即結(jié)構(gòu)1，見圖2（2）；考慮到橡膠環(huán)的徑向滑移，又設(shè)計了燕尾型底面的橡膠圈即結(jié)構(gòu)2，見圖2（3）。需要對圖2（2）、

（3）兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計進行對比。

圖2 中間密封結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.中間密封材料選擇

由于商用車輪轂軸承單元工作載荷大，并且經(jīng)常是長時間連續(xù)運行，工作溫度較高，因此需要采用氟橡膠材料制造。橡膠的硬度不宜太高，否則易老化；但是太低，密封接觸力可能不足。選擇邵氏硬度在70HA、75HA和80HA的三種材料進行接觸應(yīng)力分析。

3.中間密封接觸力分析

由于中間密封圈材料為橡膠材料，可近似認為不可壓縮超彈性材料。在實際應(yīng)用中，橡膠材料存在著復(fù)雜的邊界條件和接觸非線性等各種問題。橡膠材料的非線性主要體現(xiàn)在以下幾個方面:材料應(yīng)力應(yīng)變非線性、幾何應(yīng)變位移關(guān)系非線性及接觸非線性，其中，橡膠材料的材料應(yīng)力應(yīng)變非線性可用應(yīng)變能函數(shù)來表示[1]。還應(yīng)當指出的是，橡膠材料在變形保持不變條件下，由于材料的粘性而使應(yīng)力衰減（稱為松弛）或者在載荷保持不變條件下，由于材料粘性而使變形繼續(xù)增加（稱為蠕變）又使得密封圈力學模型可能成為依賴于時間的粘彈性問題。為簡單起見，本次仿真分析中并未考慮松弛及蠕變的影響。

近似不可壓縮的橡膠材料的力學模型表現(xiàn)為復(fù)雜的材料與幾何非線性。大部分學者都曾經(jīng)提出過一些專門描述橡膠材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的函數(shù)，如Mooney-Rivlin模型、Ishihara-Zahorski模型、Klosner-Segal模型、Biderman模型等。為了能夠配合使用ANSYS有限元分析軟件中的有限元程序?qū)λ蟮膯栴}進行求解，本次仿真分析中將會使用Mooney-Revlin模型[2]。在有限元分析中，采用完全Lagrange格式的增量分析方法來解決密封圈的幾何非線性問題，即在分析過程中，所有靜力學和運動學變量總是參考（始終保持不變的）初始位形，具體分析方法可參考文獻[3]。分析中采用的橡膠材料模型為近似不可壓縮彈性材料的Mooney-Rivlin模型[4]，和材料的應(yīng)變能偏量部分有關(guān)的兩個材料常數(shù)C10和C01（常稱之為穆尼材料常數(shù)）可由從實驗獲得的經(jīng)驗公式[5]中根據(jù)橡膠材料的硬度（或彈性模量）計算得出，兩個參數(shù)的Mooney-Rivlin方程為

式（ 1）中，C10和 C01是 Mooney 常數(shù) ，I1、I2為第一、第二Green應(yīng)變不變量。

在小應(yīng)變時，橡膠材料的彈性模量E0與剪切模量G的關(guān)系如下：

由橡膠材料的不可壓縮性得泊松比μ=0.5，于是E0=3G，得到

根據(jù)橡膠材料IRHD硬度Hr與E0的實驗數(shù)據(jù)，經(jīng)擬合得式：

再結(jié)合C10、C01的經(jīng)驗比值，就可確定材料系數(shù)C10、C01的值。本項目中所用不同硬度的橡膠對應(yīng)的C10、C01的計算數(shù)值如表1、表2所示。

表1 不同硬度的橡膠對應(yīng)的C10、C01的計算數(shù)值

表2 不同樣品對應(yīng)的C10、C01的計算數(shù)值

4.建立邊界條件

模型的基本假設(shè)。為了有限元分析能夠順利進行并取得近似準確的結(jié)果，本次仿真分析對材料的性質(zhì)以及邊界約束等情況進行如下假設(shè)：制成密封圈的橡膠超彈性材料的彈性模量E和泊松比μ的值一定；密封圈及接觸邊界可以認為是軸對稱；密封圈的橡膠材料具有不可壓縮性；由于套圈的剛度是橡膠剛度的幾萬倍，所以套圈可以被認為是剛體邊界[6]。

建立有限元模型。在密封結(jié)構(gòu)中已經(jīng)不能通過線性理論描述橡膠材料在受力情況下的位移和變形關(guān)系，就需要通過幾何非線性理論來解釋。利用ANSYS有限元分析軟件的擴展命令功能，再加上密封圈的邊界受到的力具有圓周對稱性，以及考慮到密封圈的特殊結(jié)構(gòu)，可以將密封圈模型簡化為軸對稱的平面模型。通過ANSYS有限元分析軟件中的擴展命令對得到的分析成果進行擴展，就可以達到和三維模型進行分析的相同效果。另外，本次仿真分析主要是在靜態(tài)分析的條件下對密封圈模型進行分析的。本次仿真分析所用的模型根據(jù)圖2（2）、（3）兩種結(jié)構(gòu)進行創(chuàng)建。選用兩種樣品，其中樣品1和2采用分析模型（1），樣品3和4采用分析模型（2）。

邊界條件和載荷。由于密封圈與套圈之間是過盈配合，因此在建模時要使二者平移至恰好接觸，在對安裝過程進行模擬時，只需給套圈一個軸向方向和徑向方向的位移，其大小恰好是過盈量Sx和SY，不同樣品接觸條件下的過盈量以及對應(yīng)的分析模型見表3。

表3 不同樣品接觸條件下的過盈量

5.中間密封的理論驗證評價

通過建模，得到了軸向密封接觸力分布、徑向密封接觸力分布和整體FEA應(yīng)力分布云圖（圖略）。從圖中可見，四種樣品的軸向最大值分別為31.31N、20.72N、7.8N、15.35N。四種樣品的徑向最大值分別為4.85N、3.12N、1.98N、3.93N， 接縫處徑向分別為 3.77N、1.73N、1.98N、3.93N。

分析結(jié)果表明，樣品1型密封的徑向接觸力分布不是均態(tài)，在接縫處的接觸力為3.2N，沒有漏油發(fā)生；樣品2型密封的徑向接觸力分布也不均勻，在接縫處的接觸力為1.3～1.7N，發(fā)生漏油；樣品3型密封的徑向接觸力分布均勻，在接縫處的接觸力為1.98N，可能發(fā)生漏油；樣品4型密封的徑向接觸力分布均勻，在接縫處的接觸力為3.93N，不可能發(fā)生漏油。

三、結(jié)論

實驗驗證結(jié)果和理論計算結(jié)果相同，四種密封圈在同等過盈配合條件下，橡膠硬度（60～85HA）越高，密封接觸力越大。免維護輪轂軸承單元中間密封環(huán)最佳設(shè)計方案為，采用結(jié)構(gòu)（3）中樣品4設(shè)計，橡膠硬度75～85HA，密封環(huán)相對軸承套圈的過盈配合取0.6～1.0mm。

在上述分析計算之前，已對密封環(huán)的硬度和配合過盈量進行過更大范圍的篩選，然后取出本次分析的硬度范圍和配合過盈量范圍進行比較分析，即上述結(jié)論是在逐步縮小邊界范圍的基礎(chǔ)上得出。