汽车轮毂轴承力学分析

汽车轮毂轴承力学分析张春燕;韩丽艳【摘要】Wheelhubuniteisanimportantcomponentinthevehiclesystem,anditsmechanicperformanceofwheelhubunitedirectlydeterminesthesecurityofvehicle.Usingaccurateandrationalanalysisofthewheelhubmechanicproperties,thedesignerscanoptimizethedesignofwheel,securethestrength,cutdownexperimentnumberandreducethedesigntime.Basedonthewheelhubunite,analysisitsstructure,stressfielddistributionofwheelhubareacquired,whichcanprovidetheimportantdesignguideforwheeldesignengineers.%轮毂轴承是汽车系统的重要部件，其力学性能成为直接影响汽车安全性能的关键因素.通过对轮毂轴承的各项力学性能合理精确地分析，可以优化轮毂轴承设计、保证强度要求、减少试验次数、缩短开发时间.以轮毂轴承为研究对象，对其进行结构强度分析，获得轮毂轴承的静应力分布,为轮毂轴承产品的设计开发提供设计依据.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷)，期】2011(011)024【总页数】4页(P5982-5985)【关键词】轮毂轴承;应力分析;有限元【作者】张春燕;韩丽艳【作者单位】北京石油化工学院,北京102617;北京石油化工学院,北京102617【正文语种】中文【中图分类】U463.343汽车轮毂轴承是轿车的重要组成部件。汽车轮毂轴承既承受径向载荷又承受轴向载荷，既支撑着汽车的整体重量、又要承受车辆在各种行驶工况下的复合动载荷。轮毂轴承的性能和质量对轿车的性能和行驶安全起着关键的作用。20世纪90年代中期以前，国内汽车大部分都是采用传统的两套单独的圆锥滚子轴承或者球轴承，如图1所示。这种结构是在汽车装配时进行调整游隙、预紧、添加润滑脂等，质量靠装配过程中诸多人为因素控制，装配难度较大，成本过高且可靠性较差。图1轮毂轴承近几年，随着前置前驱轿车的飞速发展，汽车轮毂轴承发生很大变化。因此开发了—种能解决上述问题的轴承单元，对其要求有以下几点［1］：不需要调整轴承组装间隙(过去选择间隔形式或按照力矩调整间隙)。轴承组装工艺合理化。轻量化和小型化。提高可靠性。⑸降低整体成本。目前，国内已逐渐开发应用了第一代和第二代轮毂轴承(球轴承)，第三代目前正处于研发试制阶段。对轮毂轴承用圆锥滚子轴承，国内也基本处于传统结构的应用阶段。而在国外，轮毂用球轴承的开发已进入第四代，轮毂用圆锥滚子轴承的第二代也早已进入批量应用阶段。第一代是外圈整体型双列角接触球轴承、填入润滑脂、带密封的普通型轴承。第二代轮毂轴承单元与第一代轮毂轴承单元相比，就是为了有利于与相配合结构连接装配，将转向节或轮毂与轴承套圈制成一体，也就是带法兰盘的轴承单元。第三代轮毂轴承单元是把与轴承相配合的零件即轮毂、ABS传感器与轴承套圈制成整体化的型式［2］第二代又进一步发展的单元。典型结构就是大填球角、压配式内圈也带法兰盘:其两个套圈有一个法兰，外圈是一个刚性结构，因此可简化枢轴。第四代轮毂轴承单元的典型结构就是将等速万向节与轴承制成整体化，这种型式引人注目的是废除了轮毂花键轴，更加小型化以及使之安装更加合理的结构。目前第四代仅仅研制成功，实用化还有一些问题有待解决。本文旨在对轮毂单元进行强度计算，获得轮毂单元的静应力分布，并对其进行优化设计。1车轮毂轴承的受力分析及寿命计算1.1轮胎载荷轮毂轴承的受力分析比较复杂，因为驱动力的变化，制动以及加速等都可能影响它的受力模型，同时也就影响了轴承的寿命。主要以一代轮毂单元作为分析体，因为二代、三代的法兰盘受力相当复杂，但如以简化模型还是可以得出与一代轮毂轴承类似的模型。一代汽车轮毂轴承单元为双列角接触球轴承。可直接安装，即长寿命润滑、密封和预调游隙。可以根据静载荷分析来计算轮毂单元的寿命。如图2所示，通过前轴的自由简体图可以计算出轮胎在转弯过程中所受的径向和轴向载荷。在不考虑制动、加速、驱动力的前提下，并且将每个轮胎与路面间的摩擦系数看作常数，采用解平衡方程可以很容易得到作用在左、右轮上的载荷［3］。式中，ag是转弯加速度，指转弯率;g是重力加速度;其余各参数见图2。图2右转弯时轮胎载荷计算的自由体简图1.2轴承受力由上面得到的轮胎载荷在静平衡状态下就是轴承的作用力，如图3所示。但这是一个静不定系统，因此该静平衡方程不能计算出轴承作用力。外、内轴承的径向力Fr1和Fr2通过求解径向力和力矩平衡方程很容易计算出来：在式(8)中，8a1和Sa2分别表示内、夕卜轴承的轴向位移，80表示轴向预载荷所产生的位移，然而，要得到轴向力的值，还必须有轴承平衡方程。图3轮毂轴承载荷分析自由体简图1.3轴承平衡方程为满足图4所示双列接触球轴承的静平衡要求，作用于单个轴承的轴向力和径向力必须分别等于以接触角aq作用于每个滚动体的法向载荷Qq的轴向和径向分力之和如下。式中，Fa1、Fa2、Fr1、Fr2分别是作用于外、内轴承上的轴向力和径向力，z是球数。法向载荷Qq可由赫兹接触应力原理计算:Qq=Kq81.5q。式中Kq和8q分别表示第q球位置的有效刚度常数和有效变形，有效变形8q是球和每一滚道(8iq和8oq)的趋近量之和。这样，通过应用Neuton-Raphson方法同时解6个方程式(7)一式(12)，可以计算出外、内球轴承的轴向和径向位移(8a1、8a2、8a1、8a2)以及轴向力(Fa1、Fa2)。应用这一计算结果，可以得到每一球位置的法向载荷Qq和接触角aq的值，这是寿命计算所必需的。图4静载荷下轮毂单元球与滚道的接触情况2有限元分析有限元分析最先应用于航空工程，现已迅速推广到机械、汽车、造船、建筑等各种工程技术领域。目前在汽车结构分析中有限元分析已成为一种被广泛采用的基本分析方法。具体体现在:一是在汽车的设计方而，对所有结构件及主要机械零件的强度、刚度和稳定性分析，有限元分析是一种不可替代的工具。二是在计算机辅助设计、优化设计方而，作为结构分析的工具已成为其主要组成部分之一。对于汽车上的轮毅轴承单元，它不仅要具有过去轴承的功能，还得保证结构强度的质量和新的功能。为了发现和解决试验中难以发现的问题，缩短产品开发周期，以低成本进行开发，运用有限元分析手段是非常必要的。木文就运用了有限元分析软件对汽车轮毅轴承单元进行结构强度分析。3有限元分析的应用实例通过前述轮毂轴承的受力分析及寿命计算，在轴承受力核算满足后，即可对轮毂轴承进行详细设计并建立数模[4],运用有限元软件进行应力核算，如图5所示。通过实际的计算过程，可以指导实际的产品开发工作。图5轮毂轴承建模图图6给出了力矩分别为500,1000,1500和2000N-m的载荷状态下轮毂凸缘相对倾斜角的FEM分析值和试验结果值。FEM分析结果和试验结果的对比可以看出:在试验的力矩范围内，两者的结果很接近，趋势一致。在各力矩载荷的分析点上，两者最大误差约为5%,FEM理论分析结果与试验值较为吻合。图6轮毂凸缘相对倾斜角的FEM分析值和试验结果值4结论本文对车轮毂轴承的受力分析进行了理论分析，同时采用有限元软件对轮毂轴承单元结构进行了分析，从而可以指导产品的设计开发工作。参考文献【相关文献】1陈伟，梁政.哈里伯顿1