輪轂軸承外圈凸緣安裝面凹度設(shè)計(jì)

崔海峰，童慧，馬洪啟

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 200120)

1 概述

汽車輪轂軸承在車輛行駛過(guò)程中主要起引導(dǎo)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)和支承車身的作用，隨汽車行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)的日趨嚴(yán)格，對(duì)緊湊化、輕量化和免維護(hù)的輪轂軸承需求日益增加。第三代輪轂軸承特殊的內(nèi)外側(cè)雙凸緣設(shè)計(jì)使其可以直接通過(guò)緊固件與轉(zhuǎn)向節(jié)和剎車盤連接，結(jié)構(gòu)更加緊湊，免去了復(fù)雜的壓裝工序，維護(hù)方便，應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1]。

某第三代輪轂軸承(圖1)在使用中產(chǎn)生異常噪聲，拆解發(fā)現(xiàn)軸承外溝道出現(xiàn)剝落(圖2)，現(xiàn)對(duì)其故障原因進(jìn)行分析，并進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)。故障軸承主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為：外圈凸緣外徑140 mm，凸緣螺栓孔中心圓直徑105 mm，單列球數(shù)13，內(nèi)圈和芯軸溝道直徑7.45 mm，外圈溝道直徑7.56 mm，鋼球溝間距19 mm。

圖1 第三代輪轂軸承結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of third-generation hub bearing

圖2 外溝道剝落圖Fig.2 Spalling diagram of outer groove

2 改進(jìn)設(shè)計(jì)

輪轂軸承安裝示意圖如圖3所示，外側(cè)與剎車盤連接，內(nèi)側(cè)通過(guò)螺栓緊固在轉(zhuǎn)向節(jié)上。當(dāng)受到螺栓夾緊力時(shí)，靠近外圈凸緣的密封圈安裝面和溝道會(huì)發(fā)生變形，引起應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致溝道剝落，使軸承異常振動(dòng)，產(chǎn)生噪聲[2-5]。外圈凸緣密封圈安裝面變形也會(huì)使密封圈和安裝面配合變差，影響軸承密封，外界污染物和水的侵入也會(huì)引起噪聲。

1—制動(dòng)盤；2—軸承；3—轉(zhuǎn)向節(jié)；4—緊固螺栓圖3 輪轂軸承安裝示意圖Fig.3 Installation diagram of hub bearing

通過(guò)分析可對(duì)軸承外圈凸緣進(jìn)行凹度設(shè)計(jì)，如圖4所示，螺栓緊固使外圈凸緣與轉(zhuǎn)向節(jié)安裝面貼合，使凹度減小或消失。本文基于有限元軟件MSC.MARC分析受夾緊力時(shí)外圈凸緣、螺栓和轉(zhuǎn)向節(jié)的變形，以確定最佳外圈凸緣安裝面凹度。

圖4 軸承外圈凸緣安裝面凹度示意圖Fig.4 Diagram of concavity of mounting surface of bearing outer ring flange

3 有限元分析

3.1 有限元模型

輪轂軸承內(nèi)圈和球?qū)ρ芯繜o(wú)顯著影響，建模時(shí)可忽略。通過(guò)商用軟件CATIA 建立軸承外圈、螺栓和轉(zhuǎn)向節(jié)三維模型(圖5)，并用MSC.MARC對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分(圖6)。球與溝道之間的接觸應(yīng)力較大，通常對(duì)溝道進(jìn)行感應(yīng)加熱處理來(lái)提高局部硬度，因此將溝道分成溝道表面A區(qū)(硬化區(qū)域)和溝道表面以下B區(qū)(非硬化區(qū)域)。采用四面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分后節(jié)點(diǎn)數(shù)為103 000，網(wǎng)格數(shù)為255 000。網(wǎng)格單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有3個(gè)方向的平移自由度。在車輛實(shí)際運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)向節(jié)通過(guò)螺栓連接在車身上，建模時(shí)將螺栓作為固定邊界(圖6a)，外圈通過(guò)3個(gè)螺栓連接在轉(zhuǎn)向節(jié)上，螺栓擰緊力矩為180 N·m(圖6b)。

圖5 軸承外圈、螺栓和轉(zhuǎn)向節(jié)三維模型Fig.5 3D model of bearing outer ring, bolts and steering knuckle

圖6 軸承外圈、螺栓、轉(zhuǎn)向節(jié)網(wǎng)格劃分和邊界條件Fig.6 Meshing and boundary conditions of bearing outer ring, bolts, steering knuckle

3.2 結(jié)果分析

分析凹度分別為0，10，20，30，40，50 μm時(shí)外圈溝道和密封圈安裝面的變形，選取對(duì)軸承性能影響較大的4個(gè)位置(圖7)進(jìn)行分析：P1為外側(cè)密封圈安裝后接觸面中心位置，P2為外側(cè)溝道與鋼球的接觸位置，P3為內(nèi)側(cè)溝道與鋼球的接觸位置，P4為內(nèi)側(cè)密封圈安裝后接觸面中心位置。

圖7 變形量關(guān)注點(diǎn)Fig.7 Deformation concerns

不同凹度下P1，P2，P3，P4位置的變形如圖8所示：1)P1，P2位置變形類似，呈正三角形，P3近似呈圓形，P4呈倒三角形。這是由于P1，P2位于凸緣外側(cè)，P4位于凸緣內(nèi)側(cè)，P4與P1，P2變形相反，而P3位于凸緣正下方，該位置壁較厚，變形量較小。2)當(dāng)凹度為0 μm時(shí)，4個(gè)位置變形均為最大，當(dāng)凹度由0逐漸增加到50 μm時(shí)，4個(gè)位置形狀逐漸趨于圓形，變形較小，說(shuō)明凹度對(duì)改善外圈安裝變形具有重要作用。

圖8 不同凹度下P1,P2,P3,P4位置的變形Fig.8 Deformation of P1,P2,P3,P4 position under different concavities

定義圓度值為截面形狀的最大外切圓半徑和最小內(nèi)切圓半徑之差，用來(lái)量化分析凹度對(duì)P1，P2，P3，P4位置變形的影響，圓度值隨凹度的變化如圖9所示：1)P1,P2位置凹度為0～30 μm時(shí)，圓度值逐漸減少，凹度為30～50 μm時(shí)，圓度值趨于穩(wěn)定。2)P3位置由于壁較厚，圓度值幾乎不變。3)P4位置圓度值隨凹度增大而減小。綜上，該軸承外圈凸緣安裝面最佳凹度為30～50 μm。

圖9 P1,P2,P3,P4位置圓度值隨凹度的變化曲線Fig.9 Change curve of roundness value at P1,P2,P3,P4 position with concavity

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述分析的可靠性，選取實(shí)測(cè)凹度分別為27.9，36.1，42.6 μm的3套軸承，通過(guò)螺栓緊固到轉(zhuǎn)向節(jié)上，測(cè)量圓度值變化，結(jié)果如圖9所示，與有限元分析結(jié)果的變化趨勢(shì)一致，說(shuō)明了上述分析的正確性。改進(jìn)軸承裝車后，未出現(xiàn)異常噪聲問(wèn)題。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)某輪轂軸承運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)噪聲的問(wèn)題，分析其主要原因?yàn)槭苈菟▕A緊力時(shí)靠近外圈凸緣密封圈安裝面及溝道產(chǎn)生變形，造成密封性能變差和溝道剝落，使軸承失效。提出在外圈凸緣安裝面進(jìn)行凹度設(shè)計(jì)，并基于MSC.MARC建立有限元模型分析不同凹度下外圈密封圈安裝面和溝道的變形，得到該軸承外圈凸緣安裝面最佳凹度為30～50 μm。但研究中未分析凹度對(duì)軸承振動(dòng)的影響，后續(xù)有待進(jìn)一步研究。