（文章來(lái)源：EDC電驅(qū)未來(lái)）

 

作者：聶 帥，張春林丨北京海納川汽車部件股份有限公司

 

汽車輪轂軸承與轉(zhuǎn)向節(jié)和車輪相連，通過其將扭矩傳遞給車輪，其耐久性直接影響汽車底盤的行駛性能。可從軸荷承載、疲勞耐久和輕量化多種角度分析設(shè)計(jì)輪轂軸承。如果輪轂軸承失效，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲等舒適性問題，而且還會(huì)影響汽車的安全性能。

 

通過建立前后軸荷理論模型，得到輪轂軸承的前后軸荷，進(jìn)一步推導(dǎo)出軸承的額定許用載荷和當(dāng)量等效載荷，通過比值和修正計(jì)算，得出汽車軸承的疲勞耐久理論計(jì)算方法。

 

1 汽車輪轂軸承結(jié)構(gòu)演化

隨著零部件集成化、輕量化技術(shù)的發(fā)展，輪轂軸承也經(jīng)歷了迭代更新。

 

圖1 輪轂軸承結(jié)構(gòu)

 

第1代輪轂軸承如圖1（a）所示，采用傳統(tǒng)的雙列軸承結(jié)構(gòu)；第2代如圖1（b）所示，在傳統(tǒng)軸承的外圈上增加法蘭結(jié)構(gòu)；第3代如圖1（c）所示，軸承內(nèi)外圈都變成法蘭結(jié)構(gòu)，提升了軸承的集成化和軸承剛度；第4代如圖1（d）所示，在第3代軸承結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，將內(nèi)部與萬(wàn)向節(jié)集成在一起，實(shí)現(xiàn)初步的集成化設(shè)計(jì)，減少花鍵連接工藝，提升扭矩傳遞的穩(wěn)定性；第5代如圖1（e）所示，將制動(dòng)盤與軸承集成一體，實(shí)現(xiàn)前軸總成的集成化設(shè)計(jì)，但目前未實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)應(yīng)用，第3代產(chǎn)品已得到廣泛應(yīng)用。

 

2 汽車輪轂軸承壽命理論計(jì)算

2.1 車輪軸荷力學(xué)模型

輪轂軸承疲勞耐久計(jì)算的關(guān)鍵是得到軸承的額定許用載荷和當(dāng)量等效載荷，其前提是計(jì)算出軸承的徑向載荷。

進(jìn)行前輪轂軸承力學(xué)分析時(shí)，行駛模式為制動(dòng)模式，附加系數(shù)G=0.6；進(jìn)行后輪轂軸承力學(xué)分析時(shí)，行駛模式為加速模式，附加系數(shù)R=0.3。

前輪軸荷和后輪軸荷的理論模型分別如圖2和圖3所示。

 

圖2 前輪軸荷理論模型

 

圖3 后輪軸荷理論模型

 

前輪轂軸承徑向載荷為

Ff=0.5M(b+G?h)/S （1）

后輪轂軸承徑向載荷為

Fr=0.5M(a+R?h)/S （2）

式中：Ff為前輪所受地面反作用力；Fr為后輪所受地面反作用力；M為整車質(zhì)量；h為重心高度；G為制動(dòng)附加系數(shù)；R為加速附加系數(shù)；S為軸距；a為重心到前輪心的水平距離；b為重心到后輪心的水平距離。

 

2.2 額定許用載荷計(jì)算

軸承的額定許用載荷用徑向基本額定許用載荷Cr來(lái)表示

 （3）

 

式中：i為滾動(dòng)體列數(shù)；a為軸承公稱接觸角；z為單列軸承中滾動(dòng)球的個(gè)數(shù)；Dw為滾動(dòng)球的直徑；bm為常用軸承鋼和加工方法的修正系數(shù)，汽車輪轂軸承取bm=1.3；fc為與軸承零件幾何形狀、制造精度及材料相關(guān)的系數(shù)，可通過計(jì)算之后查表獲取，Dpw為軸承滾圈的節(jié)圓直徑。

 

 

2.3 當(dāng)量等效載荷計(jì)算

汽車軸承同時(shí)受軸向和徑向載荷作用時(shí)，用當(dāng)量等效載荷P來(lái)表示其實(shí)際受力環(huán)境

 （4）

 

 

式中：Fa為徑向載荷；Fb為軸向載荷；X和Y分別為徑向和軸向載荷系數(shù)，取值見表1。

 

表1 系數(shù)取值表

 

針對(duì)汽車用輪轂軸承，軸向載荷Fb遠(yuǎn)小于徑向載荷Fa，即Fb/Fa≤e，所以徑向載荷系數(shù)X=1，軸向載荷系數(shù)Y=0，故計(jì)算當(dāng)量等效載荷P時(shí)不考慮軸向載荷，則

P= Fa （5）

計(jì)算前輪轂軸承當(dāng)量等效載荷，則

Pi前= Ei前Ff i=1,2,3,4,5,6 （6）

式中：Pi前為前輪轂軸承當(dāng)量等效載荷；Ei前為前輪轂軸承各路況的上下沖擊附加系數(shù)。

前輪轂軸承在P1前、P2前、P3前、P4前、P5前、P6前6種路況載荷作用下，對(duì)應(yīng)的行駛路況分配系數(shù)為A1前、A2前、A3前、A4前、A5前、A6前，則結(jié)合不同行駛路況，采用加權(quán)平均方法計(jì)算前輪轂軸承平均當(dāng)量等效載荷Pm前為

 （7）

 

 

前輪轂軸承載荷分析路況見表2，其中各系數(shù)值依據(jù)實(shí)際研發(fā)經(jīng)驗(yàn)確定。

 

表2 前軸承載荷分析路況

 

計(jì)算后輪轂軸承當(dāng)量等效載荷，則

Pi后=Ei后Ff i=1,2,3,4 （8）

式中：Pi后為后輪轂軸承當(dāng)量等效載荷；Ei后為后輪轂軸承各路況的上下沖擊附加系數(shù)。

后輪轂軸承在P1后、P2后、P3后、P4后4種路況載荷作用下，對(duì)應(yīng)的行駛路況分配系數(shù)為A1后、A2后、A3后、A4后，則結(jié)合不同行駛路況，采用加權(quán)平均方法計(jì)算后輪轂軸承平均當(dāng)量等效載荷Pm后為

 （9）

 

 

后輪轂軸承載荷分析路況見表3，其中各系數(shù)值依據(jù)實(shí)際研發(fā)經(jīng)驗(yàn)確定。

 

表3 后軸承載荷分析路況

 

2.4 疲勞壽命計(jì)算

通過前面的分析計(jì)算，汽車軸承的額定壽命計(jì)算公式為

（10）

 

 

式中：L10為可靠性為90%的基本額定疲勞壽命；Pm為平均當(dāng)量等效載荷。軸承結(jié)構(gòu)中的潤(rùn)滑系統(tǒng)、密封系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)都會(huì)影響軸承壽命，使用修正系數(shù)進(jìn)行修正，則軸承壽命為

L=a1a2a3L10 （11）

式中：L為修正后的疲勞耐久壽命；a1為可靠性系數(shù)，具體參見表4；a2為軸承特性系數(shù)；a3為工況系數(shù)。

 

表4 可靠性系數(shù)a1

 

在常規(guī)潤(rùn)滑條件下，a2a3=1。

 

3 輪轂軸承疲勞耐久試驗(yàn)

在理論計(jì)算基礎(chǔ)上，通過實(shí)際的臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試汽車輪轂軸承的疲勞耐久性十分關(guān)鍵。疲勞耐久試驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示。

 

圖4 疲勞耐久試驗(yàn)臺(tái)

 

疲勞耐久試驗(yàn)儀主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳動(dòng)皮帶輪、滾動(dòng)法蘭、輪轂軸承以及模擬實(shí)車裝載狀態(tài)下的彈簧、減振器以及轉(zhuǎn)向節(jié)等結(jié)構(gòu)。

軸承的疲勞耐久試驗(yàn)主要包括：滾道疲勞耐久試驗(yàn)、法蘭盤疲勞耐久試驗(yàn)和高速耐久試驗(yàn)。

滾道疲勞耐久試驗(yàn)：按照實(shí)車條件進(jìn)行安裝，施加車輛橫向加速度a=0.6 g時(shí)的垂直載荷和橫向載荷，轉(zhuǎn)速達(dá)到1 000 r/min，循環(huán)次數(shù)為2.6´106次。

法蘭盤疲勞耐久試驗(yàn)：按照實(shí)車條件進(jìn)行安裝，施加a=0.8 g時(shí)的垂直載荷和橫向載荷，轉(zhuǎn)速達(dá)到300 r/min，循環(huán)次數(shù)為2.0´106次。

高速耐久試驗(yàn)：按照實(shí)車條件進(jìn)行安裝，施加整備質(zhì)量下軸承所受載荷，轉(zhuǎn)速達(dá)到2 000 r/min，試驗(yàn)時(shí)間30 h。

 

4 輪轂軸承壽命計(jì)算實(shí)例與影響因素分析

4.1 壽命計(jì)算實(shí)例

以某系列A、B兩種車型后輪轂軸承為研究對(duì)象，如圖5所示，對(duì)其疲勞壽命進(jìn)行理論計(jì)算，相關(guān)參數(shù)見表5。

 

圖5 A、B車型后輪轂軸承實(shí)物圖

 

表5 后輪轂軸承壽命計(jì)算相關(guān)參數(shù)及結(jié)果

 

將表5中后輪轂軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)和搭載車輛參數(shù)代入式（3）、式（9），得到額定許用載荷Cr和當(dāng)量等效載荷Pm，將Cr、Pm代入式（10）、式（11）計(jì)算得到A車型和B車型后輪轂軸承的疲勞壽命。

 

4.2 輪轂軸承疲勞壽命計(jì)算方法驗(yàn)證

A車型、B車型后輪轂軸承的理論計(jì)算壽命與臺(tái)架疲勞耐久試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見表6。

 

表6 后輪轂軸承壽命對(duì)比 萬(wàn)km

 

注：。

 

 

由表6可知，理論計(jì)算值與臺(tái)架試驗(yàn)的誤差在7%以內(nèi)，所建立的理論模型可以較準(zhǔn)確地測(cè)算輪轂軸承的疲勞壽命。

 

4.3 質(zhì)量因素對(duì)汽車輪轂軸承疲勞壽命的影響

整車質(zhì)量工況見表7，利用理論計(jì)算模型，計(jì)算4個(gè)整車質(zhì)量工況下的輪轂軸承壽命，研究質(zhì)量因素對(duì)汽車輪轂軸承疲勞壽命的影響，如圖6所示。

 

表7 整車質(zhì)量工況 kg

 

圖6 整車質(zhì)量對(duì)輪轂軸承壽命的影響

 

由圖6可知，隨著整車質(zhì)量增加，輪轂軸承的壽命呈減小趨勢(shì)，而且當(dāng)質(zhì)量增加到一定程度時(shí)，軸承壽命的衰減速率會(huì)下降。

 

5 結(jié)束語(yǔ)

通過建立前后軸荷理論模型，得到輪轂軸承的前后軸荷，進(jìn)一步推導(dǎo)出軸承的額定許用載荷和當(dāng)量等效載荷，通過比值和修正計(jì)算，得出汽車軸承的疲勞耐久理論計(jì)算方法。

利用輪轂軸承疲勞耐久試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)輪轂軸承的滾道和安裝法蘭的疲勞耐久性進(jìn)行試驗(yàn)研究，從試驗(yàn)分析的角度得到輪轂軸承的疲勞壽命數(shù)據(jù)。

采用試驗(yàn)研究與理論計(jì)算相結(jié)合的方法，驗(yàn)證了輪轂軸承疲勞壽命估算的過程及方法的正確性，并以此方法為依據(jù)，得出輪轂軸承疲勞壽命隨承載質(zhì)量的增加而減少。

 

簡(jiǎn)介

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