基于耐久性試驗(yàn)載荷譜的重卡輪轂軸承壽命計(jì)算

李強(qiáng) 郭楠 賈德松 張新磊 孔雙兵

摘?要：輪轂指的是重型卡車傳導(dǎo)和承重的主要安全部件，正在朝著低成本、高性能、高可靠性和集成化的方向發(fā)展。對(duì)于軸承所規(guī)定性能要求最終確認(rèn)取決于臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果，以此本文基于某公司生產(chǎn)的重卡輪轂軸承，分析實(shí)際工況設(shè)計(jì)耐久性試驗(yàn)。針對(duì)載荷譜針對(duì)耐久性實(shí)驗(yàn)，載荷譜能夠全面估算重卡輪轂壽命，對(duì)軸承對(duì)影響軸承壽命的因素進(jìn)行分析，并且對(duì)重卡輪轂軸承開展耐久性實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示，重卡輪轂軸承能夠的壽命能夠滿足質(zhì)保需求，并且軸承質(zhì)量合格，能夠使耐久性實(shí)驗(yàn)性能要求得到滿足。

關(guān)鍵詞：耐久性??載荷譜??輪轂??壽命計(jì)算

中圖分類號(hào)：TH2?????????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Calculation?of?the?Life?of?the?Heavy?Truck's?Hub?Bearing?Based?on?the?Load?Spectrum?of?the?Durability?Test

LI?Qiang??GUO?Nan??JIA?Desong???ZHANG?Xinlei??KONG?Shuangbing

（Kangmai?Machinery?Co.，?Ltd.，?Changyi，?Shandong?Province，?261300?China）

Abstract：?The?hub?refers?to?the?main?safety?component?of?the?heavy?truck?for?conduction?and??load-bearing，?and?it?is?developing?in?the?direction?of?low?cost，?high?performance，?high?reliability?and?integration.?The?final?confirmation?of?the?specified?performance?requirements?for?the?bearing?depends?on?bench?test?results，?so?based?on?the?heavy?truck's?hub?bearing?produced?by?a?company，?this?paper?analyzes?the?actual?working?condition?and?designs?the?durability?test.?According?to?the?load?spectrum?for?the?durability?test，?the?load?spectrum?can?comprehensively?estimate?the?life?of?heavy?trucks?hubs，?analyze?the?factors?that?affect?the?life?of?bearings，?and?carry?out?the?durability?test?on?heavy?trucks?hub?bearings.?Test?results?show?that?the?life?of?the?heavy?trucks?hub?bearing?can?meet?the?warranty?requirements，?and?that?the?quality?of?the?bearing?is?qualified，?which?can?meet?the?performance?requirements?of?the?durability?test.

Key?Words：?Durability;?Load?spectrum;?Hub;?Life?calculation

卡車輪轂軸承能夠避免設(shè)備受到污染，還能夠降低輪轂單元的裝配時(shí)間，對(duì)內(nèi)部密封裝置進(jìn)行集成。所以，輪轂軸承試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展是標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)技術(shù)的現(xiàn)代化，汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的支撐是通過汽車輪轂所提供，要求能夠承擔(dān)汽車行駛中全部載荷[1]。但是現(xiàn)在研究重卡輪轂試驗(yàn)機(jī)研究比較少，中性卡車輪轂軸承動(dòng)力性能會(huì)對(duì)運(yùn)輸穩(wěn)定性造成影響，不能夠?qū)χ乜ㄆ囆旭偪傮w環(huán)境造成影響。為了對(duì)重卡輪轂軸承性能全面分析，研究了模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)耐久性，對(duì)重卡輪轂軸承壽命和性能進(jìn)行分析。

1?重卡輪轂軸承的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

重型卡車輪轂軸承單元是一種雙列圓錐滾子軸承，能夠降低初始裝備與保養(yǎng)時(shí)候受到污染的風(fēng)險(xiǎn)；提高預(yù)調(diào)整精度；集成內(nèi)部密封裝置，降低車輪零部件數(shù)目，使卡車輪轂單元裝配時(shí)間降低，從而降低成本[2]。

1.1?重卡輪轂軸承的工況載荷

不考慮重卡汽車運(yùn)行過程中的微小因素，使輪轂軸承外部作為輪胎支點(diǎn)軸承和徑向載荷。重卡輪轂軸承外部載荷能夠計(jì)算軸承的壽命和耐久性試驗(yàn)載荷譜，影響因素較為復(fù)雜，主要包括輪胎特性、車速度和駕駛習(xí)慣等。

1.2?重卡輪轂軸承工況模擬

在工程中使用重卡的時(shí)候，要求模擬試驗(yàn)機(jī)，并且將輪轂軸承安裝在固定圈中。另外，利用系統(tǒng)控制單元對(duì)試驗(yàn)機(jī)主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)置，使軸承內(nèi)外圈進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。要求固定圈連接加載機(jī)，利用加載機(jī)構(gòu)將軸向和徑向載荷設(shè)置到重卡輪轂軸承中，對(duì)重卡輪胎加載作用力進(jìn)行模擬。輪軸半徑指的是模擬試驗(yàn)機(jī)和軸向加載作用的中心線距離，對(duì)重卡實(shí)際輪胎形式的偏置大小進(jìn)行模擬。

2?載荷譜的設(shè)計(jì)

為了對(duì)實(shí)車行駛速度進(jìn)行模擬，設(shè)計(jì)臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)速為100km/h。在試驗(yàn)過程中，改變側(cè)向加速度的使用率，得出臺(tái)架試驗(yàn)過程中的載荷譜。以此方法實(shí)現(xiàn)載荷譜的設(shè)計(jì)，避免實(shí)際行車中超過最大載荷，以此使軸承工作原理不發(fā)生改變[3]。

2.1?側(cè)向加速度使用率

側(cè)向加速度為0.55g指的是重卡行駛情況較為苛刻，為了使時(shí)間縮短，ag（側(cè)向加速度）為0.55g的時(shí)候給予20%使用率，為-0.55g的時(shí)候給予50%使用率。使側(cè)向加速度在轉(zhuǎn)變的過程中基于0.0125g遞增實(shí)現(xiàn)離散化處理，并且給予相同使用率。在實(shí)際試驗(yàn)的過程中，側(cè)向加速度轉(zhuǎn)變利用軸向、徑向載荷增減的變化實(shí)現(xiàn)。

在試驗(yàn)過程中，量載荷Pm為（0.25～0.40）C比較合適，在對(duì)側(cè)向加速度使用頻率分配之前，要分析輪轂軸承受力情況，對(duì)當(dāng)量載荷進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)載荷的安全性進(jìn)行判斷，要不然就對(duì)側(cè)向加速度使用率分配進(jìn)行調(diào)整。

2.2?軸向、徑向試驗(yàn)載荷計(jì)算

公式（1）和公式（2）指的是重卡徑向和軸向的輪胎載荷計(jì)算公式：

針對(duì)試驗(yàn)周期中的每一側(cè)施加加速度，通過以上公式對(duì)輪胎載荷進(jìn)行計(jì)算，也就是在試驗(yàn)過程中施加徑向和軸向的載荷。

2.3?載荷譜

車前輪轂軸承耐久性試驗(yàn)將40s作為試驗(yàn)周期，表1為臺(tái)架試驗(yàn)的側(cè)向加速度使用率。通過試驗(yàn)荷載能夠?qū)?cè)向加速度恒定階段試驗(yàn)時(shí)間與載荷反映出來，在側(cè)向加速度轉(zhuǎn)變過程中，使側(cè)向加速度作為恒定。在實(shí)際中，受試驗(yàn)加載試驗(yàn)響應(yīng)速度限制，側(cè)向加速度變化過程占據(jù)1～2s。

耐久性試驗(yàn)載荷譜轉(zhuǎn)化為程序設(shè)定用詳見表2，國(guó)內(nèi)外部分廠商試驗(yàn)周期在120s以上。還能夠?qū)?cè)向加速度使用率分配進(jìn)行調(diào)整，從而得出不同載荷譜。

3?重卡輪轂的壽命計(jì)算試驗(yàn)

針對(duì)耐久性試驗(yàn)荷載，通過重卡輪轂軸承模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)針對(duì)重卡輪轂軸承開展耐久性試驗(yàn)，對(duì)重卡輪轂軸承使用壽命進(jìn)行分析。

3.1?試驗(yàn)裝置和條件

重卡輪轂軸承模擬試驗(yàn)機(jī)總體結(jié)構(gòu)通過軸向加載裝置、床身部件、偏載機(jī)構(gòu)、機(jī)架、液壓系統(tǒng)等構(gòu)成。其試驗(yàn)原理為：通過試驗(yàn)技術(shù)人員在電腦人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置，試驗(yàn)參數(shù)通過數(shù)據(jù)總線和智能算法控制系統(tǒng)相互連接，之后利用控制系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)機(jī)控制，根據(jù)規(guī)定要求開展試驗(yàn)[4]。

試驗(yàn)環(huán)境溫度為（20±15）℃，在試驗(yàn)之前開展試驗(yàn)樣品的預(yù)運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)置徑向載荷W/2，W指的是軸承，運(yùn)行2h。預(yù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不在試驗(yàn)總時(shí)間中，共開展336h。

3.2?重卡輪轂軸承壽命的影響因素

不管是重卡輪轂軸承耐久性載荷譜的創(chuàng)建或者壽命分析，重卡輪轂軸承的實(shí)際工況載荷分析尤為重要。輪轂軸承使用背對(duì)背安裝的方式，要求成對(duì)安裝接觸球軸承使剛性增加。因?yàn)橹乜ň哂休^大的負(fù)載，重卡了輪轂軸承承受要大于轎車，所以使用圓錐滾子軸承。重卡輪轂軸承單元和輪輞安裝之間的配合會(huì)出現(xiàn)偏心距，從而使輪轂軸承在受到力作用時(shí)還會(huì)受到力矩作用[5]。

不同工況、車輛尺寸參數(shù)會(huì)影響到重卡輪轂軸承的壽命，通過基于耐久性試驗(yàn)載荷譜對(duì)重卡輪轂軸承壽命方法進(jìn)行計(jì)算，并且計(jì)算不同工況和車輛尺寸的軸承壽命，對(duì)軸承壽命和影響因素關(guān)系進(jìn)行分析。通過分析表示，重卡輪轂軸承內(nèi)外側(cè)列軸承與壽命和車輛側(cè)向加速度與路面沖擊系數(shù)為反比關(guān)系，針對(duì)路面沖擊系數(shù)，車輛側(cè)向加速度對(duì)于重卡輪轂軸承壽命影響比較顯著。內(nèi)側(cè)列軸承壽命在受載偏心距增加不斷降低，外側(cè)列軸壽命不斷提高，軸承系統(tǒng)先上升、后降低，并且在內(nèi)外側(cè)軸承壽命相等并且為最大值的時(shí)候，對(duì)應(yīng)偏心距為0mm。

3.3?試驗(yàn)結(jié)果

3.3.1?預(yù)緊力影響

通過裝配輪轂軸承單元進(jìn)行預(yù)緊，提高軸承的剛度，使單元兩列軸承承載滾動(dòng)體數(shù)目得到增加，提高單元的承載能力，使用壽命也會(huì)得到延長(zhǎng)。假如提高預(yù)緊力，就會(huì)增加軸承的承載載荷，降低單元壽命。所以，在軸承單元裝配時(shí)要對(duì)預(yù)緊載荷合理選擇，將使用壽命延長(zhǎng)。分析不同工況的輪轂軸承單元載荷，預(yù)緊載荷針對(duì)轎車前半軸左右的兩側(cè)輪轂軸承單元指的是非線性關(guān)系。隨著預(yù)緊載荷的增加，導(dǎo)致左右兩側(cè)輪轂軸承單元綜合壽命提高，最大值為1.5kN的時(shí)候。然后，隨著不斷增加預(yù)緊力，使輪轂軸承單元壽命得到提高。駕駛室左側(cè)比右側(cè)的輪轂軸承單元壽命長(zhǎng)，但是隨著增加預(yù)緊載荷，浪著越來越接近。根據(jù)分析可以看出來，在安裝輪轂軸承單元的時(shí)候以預(yù)緊螺母預(yù)緊載荷，控制左右兩列軸承的預(yù)緊載荷在1.5kN左右，設(shè)置軸向預(yù)緊量為0.02mm，此時(shí)輪轂軸承使用壽命是最大的。

3.3.2?側(cè)向加速度影響

在車輛行駛的過程中，急轉(zhuǎn)彎的時(shí)候側(cè)向加速度ag比較大，一般重力加速度為0.4倍，而且作用時(shí)間比較短。但是輪胎半徑和受載偏心距影響的力矩載荷M比較大，增加了輪轂軸承單元當(dāng)量動(dòng)載荷，降低軸承單元壽命。在側(cè)向加速度不斷增加過程中，輪轂軸承單元綜合壽命降低，在0.2～0.7的時(shí)候，壽命會(huì)迅速下降，在其他區(qū)間的下降比較慢。在側(cè)向加速度率逐漸改變的時(shí)候，駕駛室輪轂軸承單元壽命存在變化。在0.5的時(shí)候相差是最大的，駕駛室左側(cè)輪轂軸承壽命比右側(cè)要高。

3.3.3?受載偏心距的影響

在設(shè)計(jì)輪轂軸承單元的過程中，輪轂軸承單元受載中心和輪胎承載中心具備偏心距s，這個(gè)時(shí)候偏心距會(huì)將力矩加載到輪轂軸承單元中，使軸承單元兩側(cè)滾動(dòng)載荷的分布出現(xiàn)改變，對(duì)輪轂軸承單元壽命造成影響。在偏心距為0的時(shí)候，輪轂軸承單元綜合壽命是一樣的；在偏心距為正向增加的時(shí)候，駕駛室右側(cè)軸承單元壽命降低，左側(cè)上升；在偏心距負(fù)向降低的時(shí)候，變化趨勢(shì)相反。通過分析結(jié)果表示，在偏心距為0的時(shí)候是最好的。但是實(shí)際輪轂軸承單元的芯軸與外圈利用法蘭盤結(jié)構(gòu)連接其他部件，受載時(shí)候的法蘭盤柔性支撐作用會(huì)改變軸承單元承載中心。所以，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，使輪轂軸承單元受載中心和輪胎設(shè)計(jì)存在偏移量[6]。

3.3.4?輪胎半徑的影響

在設(shè)計(jì)輪轂軸承的過程中，要對(duì)軸承使用車輛類型與工況進(jìn)行確定。在得到車輛參數(shù)之后，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)載荷譜的設(shè)計(jì)，針對(duì)輪轂軸承單元開展模擬實(shí)驗(yàn)。所以，要確定力矩半徑，也就是車輛參數(shù)輪胎半徑。但是，在實(shí)際模擬試驗(yàn)過程中，為了開展輪轂軸承單元試驗(yàn)，使力矩半徑增加，從而開展試驗(yàn)。在輪胎半徑不斷增加的過程中，也會(huì)改變輪轂軸承單元轉(zhuǎn)動(dòng)速度。在輪胎半徑為200mm的時(shí)候，試驗(yàn)載荷譜的輪轂軸承單元綜合壽命比較大，在100～200mm時(shí)候的壽命降低，是因?yàn)檩嗇瀱卧D(zhuǎn)速提高影響到壽命。在100～450mm的時(shí)候，壽命不斷降低，是因?yàn)榱剌d荷增加的影響。以分析結(jié)果可以看出來，輪轂軸承單元中車輛輪胎半徑為200mm。

3.4?實(shí)際路況行駛結(jié)果

通過長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)室臺(tái)架試驗(yàn)分析表示，使用此載荷開展試驗(yàn)，并沒有發(fā)現(xiàn)異常，試驗(yàn)過程中的性能良好。之后和臺(tái)架相似實(shí)際路況開展試驗(yàn)。在實(shí)際路況試驗(yàn)之后，使輪轂軸承拆開，表示軸承油脂粘稠度正常，無機(jī)油侵入，對(duì)此載荷適用性進(jìn)行驗(yàn)證，表3為試驗(yàn)結(jié)果。

4?結(jié)語(yǔ)

該文詳細(xì)分析了重卡輪轂軸承實(shí)際運(yùn)行工況受載情況和行駛狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)重卡輪轂軸承耐久性試驗(yàn)載荷譜，使其應(yīng)用到重卡輪轂軸承耐久性試驗(yàn)中。通過該文研究表示，要想使軸承單元?jiǎng)傂缘玫教岣?，就要?shí)現(xiàn)軸向預(yù)緊，使軸承單元壽命得到延長(zhǎng)。通過研究可以看出來，輪轂軸承最大的壽命值為0.02mm軸向預(yù)緊力。受載偏心距左側(cè)軸承單元的軸承單元壽命比較高，在設(shè)計(jì)軸承單元過程中，要求通過法蘭盤變形影響對(duì)受載偏心距進(jìn)行設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

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