黎桂華

(韶關(guān)東南軸承有限公司，廣東 韶關(guān) 512029)

與通用軸承相比較，轎車(chē)輪轂軸承是技術(shù)復(fù)雜程度相對(duì)較高的一類(lèi)軸承。自1938年SKF公司制造的輪轂軸承單元問(wèn)世以來(lái)，輪轂軸承就一直向著高載荷能力、結(jié)構(gòu)緊湊、免維護(hù)、高可靠性以及輕量化方向發(fā)展[1-2]。汽車(chē)整車(chē)廠對(duì)關(guān)鍵零部件的早期失效要求越來(lái)越嚴(yán)格。輪轂軸承早期失效的典型現(xiàn)象為出現(xiàn)異響、車(chē)輪晃動(dòng)[3]等，因此，研究軸向游隙對(duì)轎車(chē)輪轂軸承性能的影響很有意義。

1 數(shù)學(xué)分析方法

研究的轎車(chē)輪轂軸承為用于前驅(qū)動(dòng)輪的第1代輪轂軸承單元，為雙列角接觸球軸承結(jié)構(gòu)，如圖1所示。轎車(chē)輪轂軸承轉(zhuǎn)速一般在1 000 r/min左右，屬于中、低速應(yīng)用場(chǎng)合，因此，鋼球離心力和陀螺力矩的影響可忽略不計(jì)，而且鋼球上的摩擦力和力矩也不會(huì)顯著影響載荷分布。

1.1 載荷分布求解

圖1給出了轎車(chē)輪轂軸承結(jié)構(gòu)及受載分析?？紤]接觸角的變化和軸向預(yù)載荷，基于靜力學(xué)分析方法建立2自由度的數(shù)學(xué)模型，由于該軸系為靜不定系統(tǒng)，軸承載荷不能從靜平衡方程中全部求解，這里采用數(shù)值求解方法求解輪轂軸承載荷分布。輪胎軸向載荷Fyr與施加于內(nèi)、外列軸承的軸向載荷(Fa1，F(xiàn)a2)平衡；此外，軸承軸向游隙δ0與兩列軸承受載后的軸向位移之和δa1+δa2也必須平衡，即有

圖1 轎車(chē)輪轂軸承結(jié)構(gòu)及受載分析

Fa1-Fa2+Fyr=0。

(1)

δa1+δa2+δ0=0,

(2)

作用于轎車(chē)輪胎的徑向、軸向載荷計(jì)算公式可以由轎車(chē)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)彎模型推導(dǎo)[4]。

采用數(shù)值方法對(duì)離散溝道鋼球接觸載荷求和，可以得到以下軸承平衡方程

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：Kn為載荷-位移常數(shù)，由軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)決定[3]；A為載荷作用前內(nèi)、外圈溝道曲率中心距離；Fr1，F(xiàn)r2分別為作用于內(nèi)、外列軸承的徑向載荷；δr1和δr2分別為內(nèi)、外列軸承的徑向位移；α0為軸承的名義接觸角;ψ為鋼球的位置角。聯(lián)立 (1)～(6)式，運(yùn)用Newton-Raphson方法求解，可以計(jì)算出內(nèi)、外列軸承的徑向、軸向位移(δr1，δr2，δa1，δa2)以及軸向載荷(Fa1，F(xiàn)a2)。應(yīng)用這一計(jì)算結(jié)果，可以進(jìn)一步求出內(nèi)、外列軸承的每一角位置處鋼球的法向接觸載荷Qψ，接觸角αψ，鋼球與內(nèi)、外溝道間的法向Hertz變形δiψ，δeψ和Hertz接觸應(yīng)力σiψ，σeψ[5]。

1.2 疲勞壽命

通常，根據(jù)5%左轉(zhuǎn)(側(cè)向加速度ag=-0.25g，g為重力加速度，下同)、5%右轉(zhuǎn)(ag=+0.25g)和90%直線行駛(ag=0)的載荷譜計(jì)算轎車(chē)輪轂軸承的疲勞壽命(90%的可靠性)[6]。對(duì)于每一種行駛狀態(tài)求解每一列軸承的載荷分布，然后進(jìn)一步計(jì)算該行駛狀態(tài)下的疲勞壽命(L-0.25g，L0g，L+0.25g)[2]。

基于每一種行駛狀態(tài)及其使用率，內(nèi)、外列軸承的疲勞壽命L1，L2為

(i=1,2),

(7)

輪轂軸承系統(tǒng)疲勞壽命為

Lsys=[(L1)-10/9+(L2)-10/9]-9/10。

(8)

1.3 力矩剛性

轎車(chē)輪轂軸承的力矩剛性是通過(guò)相對(duì)傾斜角θ來(lái)衡量的，是轎車(chē)制動(dòng)器剛性的重要組成部分，由兩列軸承的徑向位移(δr1，δr2)差異引起，并受到兩軸承載荷作用點(diǎn)距離影響。轎車(chē)輪轂軸承的力矩剛性為

θ=arctan (δr1-δr2)/S,

(9)

式中：S是兩列軸承載荷作用點(diǎn)間距。

2 軸向游隙對(duì)轎車(chē)輪轂軸承性能的影響分析

2.1 對(duì)力矩剛性的影響分析

現(xiàn)在的轎車(chē)輪轂軸承單元通常集成了輪轂主軸、轉(zhuǎn)向節(jié)聯(lián)結(jié)凸緣盤(pán)等外圍部件。這些外圍部件在外部載荷的作用下會(huì)發(fā)生彈性變形，其剛性也是轎車(chē)輪轂軸承力矩剛性的組成部分。實(shí)踐中往往通過(guò)測(cè)量分析相對(duì)傾斜角來(lái)評(píng)定輪轂軸承的力矩剛性。文獻(xiàn)[7]的研究結(jié)果表明：一般來(lái)說(shuō)，輪轂軸承本身的力矩剛性是輪轂軸承單元整體力矩剛性的主要組成部分。

圖2給出了用于驅(qū)動(dòng)輪的第1代輪轂軸承的軸向游隙對(duì)軸承位移的影響結(jié)果。圖2顯示了在兩種典型的行駛狀態(tài)(ag=-0.25g，ag=0)下，每一列軸承的徑向和軸向位移相對(duì)軸向游隙的變化情況。左轉(zhuǎn)彎時(shí)，軸向游隙對(duì)內(nèi)列軸承的位移影響很小。圖2中還顯示，如果軸承在一個(gè)合適的負(fù)軸向游隙狀態(tài)下工作，輪轂軸承的位移將得到抑制(減少)。

圖2 軸向游隙對(duì)軸承軸向和徑向位移的影響

顯然，軸向游隙對(duì)軸承位移的影響會(huì)在其對(duì)力矩剛性影響上反映出來(lái)。圖3給出了在3種行駛狀態(tài)下(ag=-0.25g，0g，+0.25g)軸承相對(duì)傾斜角受軸向游隙的影響分析結(jié)果。除了在直線行駛狀態(tài)下，軸向游隙對(duì)相對(duì)傾斜角的影響不大以外；其他行駛狀態(tài)下，相對(duì)傾斜角均受到軸向游隙的顯著影響，軸向負(fù)游隙越大，相對(duì)傾斜角越小，兩者成近似線性關(guān)系。當(dāng)軸承在較大的軸向正游隙狀態(tài)下工作，其在轉(zhuǎn)彎狀態(tài)下的相對(duì)傾斜角顯著加大。

圖3 軸向游隙對(duì)相對(duì)傾斜角的影響

2.2 對(duì)系統(tǒng)疲勞壽命的影響分析[8]

輪轂軸承軸向游隙顯著影響軸承內(nèi)部的載荷分布和位移以及由內(nèi)部接觸載荷決定的疲勞壽命。圖4給出了該輪轂軸承單元內(nèi)、外列軸承疲勞壽命及系統(tǒng)疲勞壽命受軸向游隙的影響結(jié)果。輪轂軸承處于一個(gè)合適的軸向負(fù)游隙時(shí)系統(tǒng)壽命最長(zhǎng)，但隨著軸向負(fù)游隙進(jìn)一步增大(即軸向預(yù)載荷增大)，疲勞壽命迅速降低。

圖4 軸向游隙對(duì)輪轂軸承單元疲勞壽命的影響

2.3 車(chē)輪晃動(dòng)的理論解釋

轎車(chē)的輪胎徑向載荷作用線相對(duì)軸承中心往往會(huì)有偏移，輪轂軸承在轎車(chē)非直線行駛過(guò)程中會(huì)受到上述外部載荷形成的力矩作用。如果在由外部載荷形成的力矩作用下導(dǎo)致相對(duì)傾斜角過(guò)大，則通常表現(xiàn)為車(chē)輪晃動(dòng)。

從輪轂軸承早期失效統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看，車(chē)輪晃動(dòng)及軸承異響占比較大的比例。除了早期疲勞剝落失效、異物侵入引起軸承異響之外，其他類(lèi)型的失效基本上可以歸因于軸承的軸向游隙過(guò)大。軸承工作時(shí)軸向游隙較大，導(dǎo)致其相對(duì)傾斜角過(guò)大，最終表現(xiàn)為車(chē)輪晃動(dòng)和/或伴隨軸承異響。嚴(yán)重時(shí)，由于滾動(dòng)體偏離正常的工作區(qū)域，會(huì)引起軸承異響。與軸承配合的部件精度不滿(mǎn)足工程應(yīng)用要求時(shí)，往往也會(huì)導(dǎo)致車(chē)輪晃動(dòng)及軸承異響等失效現(xiàn)象，但不屬本次討論范圍。

3 軸向游隙的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

為了取得更長(zhǎng)的疲勞壽命并提高力矩剛性，必需對(duì)輪轂軸承施加合適的軸向預(yù)載荷，以使軸承在負(fù)的軸向游隙下工作。鑒于疲勞壽命和力矩剛性相對(duì)軸向游隙的變化規(guī)律相反，設(shè)計(jì)時(shí)，為了得到整體最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，一般需要進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。

對(duì)于采用螺母預(yù)緊的輪轂軸承單元，為了得到合適的工作游隙，需要綜合考慮軸承的原始游隙、其與軸及軸承座孔的配合、螺母鎖緊力矩等因素。對(duì)于采用其他方式(如軸鉚合)實(shí)現(xiàn)預(yù)緊的輪轂軸承單元，在實(shí)施預(yù)緊前需確保軸承處于適當(dāng)?shù)脑驾S向游隙并有效控制軸向預(yù)緊載荷。

此外，由于轎車(chē)轉(zhuǎn)彎行駛過(guò)程中存在側(cè)向輪胎載荷，軸承外徑面與轉(zhuǎn)向節(jié)座孔之間的過(guò)盈配合會(huì)產(chǎn)生配合壓力，配合壓力引起的軸向摩擦力要不小于相應(yīng)的側(cè)向輪胎載荷，否則，容易產(chǎn)生微動(dòng)磨損進(jìn)而引起早期失效[9]。因此，配合設(shè)計(jì)時(shí)需考慮必要的過(guò)盈量。

4 結(jié)束語(yǔ)

轎車(chē)輪轂軸承軸向游隙對(duì)輪轂軸承的疲勞壽命、力矩剛性等性能指標(biāo)有顯著影響。軸承工作時(shí)的軸向游隙不合適是導(dǎo)致車(chē)輪晃動(dòng)的根本原因。為了優(yōu)化疲勞壽命及提高力矩剛性，必須對(duì)輪轂軸承施加合適的軸向預(yù)載荷，以使軸承在負(fù)的軸向游隙狀態(tài)下工作。設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合考慮軸承的原始游隙、與外圍部件的配合、螺母鎖緊力矩、鎖緊方式等因素。