徐忠誠,汪世義,范俊映

(1.同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院,上海 201804;2.蔚來汽車科技(安徽)有限公司,合肥 230601)

乘用車輪轂軸承單元(以下簡稱軸承)是車輛最重要的功能件和安全件之一,主要功能是支承整車重量,傳遞和承受來自地面的各種沖擊、振動以及傳力驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動以實(shí)現(xiàn)車輛的前進(jìn)或后退, 因此軸承工況復(fù)雜、惡劣,對軸承強(qiáng)度和耐久性要求較高。近年來,隨著居民收入的不斷提高和汽車產(chǎn)業(yè)政策的扶持,國內(nèi)汽車行業(yè)快速發(fā)展,新車銷量和總體保有量持續(xù)上升,交通擁堵、停車?yán)щy等問題愈發(fā)嚴(yán)重。不規(guī)范駕駛和停車的情況越來越多,如高速行駛時(shí)急打轉(zhuǎn)向造成車輛側(cè)滑、甩尾甚至側(cè)翻;停車時(shí)不減速直接沖上路緣等,使軸承受到較大的側(cè)向沖擊,從而導(dǎo)致軸承失效。據(jù)統(tǒng)計(jì)沖擊導(dǎo)致的軸承失效占總失效的25%[1](其中軸承斷裂約占0.02%,軸承滾道發(fā)生塑性變形引起的失效約占24.98%)。

合理提升軸承抗側(cè)向沖擊能力,制定相應(yīng)的設(shè)計(jì)和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),對解決當(dāng)前軸承沖擊失效問題具有重要意義。側(cè)向沖擊導(dǎo)致軸承失效的主要原因是軸承側(cè)向強(qiáng)度(包含靜強(qiáng)度和動強(qiáng)度)設(shè)計(jì)不足,因此,對軸承側(cè)向靜、動強(qiáng)度進(jìn)行分析和試驗(yàn)。

1 軸承側(cè)向靜強(qiáng)度分析

整車在靜態(tài)時(shí)軸承僅承受支承車體重量的載荷,一般稱為基準(zhǔn)載荷。軸承的最大設(shè)計(jì)載荷與基準(zhǔn)載荷呈倍數(shù)關(guān)系,這個(gè)倍數(shù)稱為靜強(qiáng)度儲備系數(shù)。因行業(yè)內(nèi)尚未形成統(tǒng)一的軸承設(shè)計(jì)規(guī)范,軸承靜強(qiáng)度儲備系數(shù)還沒有標(biāo)準(zhǔn)的推薦值,缺少對軸承側(cè)向抗沖擊能力的關(guān)鍵因素研究,絕大多數(shù)都是基于經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.1 靜強(qiáng)度儲備系數(shù)

物體在某一方向上由靜態(tài)突變?yōu)閯討B(tài)后承受的載荷至少為原來的2倍,即動載系數(shù)至少為2[2-6],汽車行業(yè)內(nèi)動載系數(shù)一般取2.5,即車輛前后橋的強(qiáng)度設(shè)計(jì)需滿足2.5倍最大軸向載荷(5倍單側(cè)最大軸向載荷)的要求。

動載系數(shù)Kd為

(1)

式中：h為自由落體高度,m;ΔSt為物體在靜載作用下的位移,m。

以某跨國車企為例,該車企在整車及零部件強(qiáng)度設(shè)計(jì)上有一套完整的評價(jià)方法,按工況可分為疲勞力、最大力、偶發(fā)力、意外力(圖1)：最大力、疲勞力在線彈性變形范圍內(nèi)不會發(fā)生塑性變形;偶發(fā)力發(fā)生在超出屈服點(diǎn)的準(zhǔn)線性范圍內(nèi),已發(fā)生了塑性變形,最大應(yīng)變量為2%以下;意外力發(fā)生在屈服點(diǎn)到斷裂點(diǎn)之間的非線性范圍內(nèi),最大應(yīng)變量為0.06A(A為材料延伸率),但零件不能發(fā)生斷裂。

圖1 軸承零件強(qiáng)度設(shè)計(jì)工況

該車企某車型后橋單側(cè)滿載450 kg,意外力工況下最大允許承載1 890 kg,為單側(cè)滿載的4.2倍,即在4.2倍單側(cè)滿載條件下不能發(fā)生斷裂。隨機(jī)在生產(chǎn)線抽取30套軸承進(jìn)行靜壓試驗(yàn),如圖2所示,在輪胎接地點(diǎn)加載側(cè)向載荷直至軸承斷裂。試驗(yàn)結(jié)果為：最大靜壓力26.56 kN、最小靜壓力21.22 kN、均值23.61 kN,分別為單側(cè)滿載的6.0,4.8,5.3倍?；谠O(shè)計(jì)定義及試驗(yàn)數(shù)據(jù),建議靜強(qiáng)度儲備系數(shù)取5.0,太小安全余量不足,太大容易過設(shè)計(jì)。

圖2 靜壓試驗(yàn)示意圖

1.2 側(cè)向靜強(qiáng)度關(guān)鍵影響因素

由試驗(yàn)和售后故障數(shù)據(jù)可知,軸承斷裂發(fā)生的主要部位為輪轂內(nèi)側(cè)根部過渡圓角處,與理論計(jì)算一致,該部位為界面突變處,容易引起應(yīng)力集中,因此,結(jié)構(gòu)是影響軸承側(cè)向靜強(qiáng)度的重要因素之一;另外,軸承側(cè)向靜強(qiáng)度也與零件材料和表面熱處理方式有關(guān)。

1)軸承結(jié)構(gòu)。軸承的側(cè)向載荷主要來源于車輪受到的側(cè)向載荷,會對軸承產(chǎn)生沿整車x方向(縱向)的彎矩和沿y向(橫向)的集中力。在側(cè)向載荷一定的情況下,抗彎截面系數(shù)越大應(yīng)力越小,在軸承設(shè)計(jì)截面邊界內(nèi)應(yīng)盡可能提高抗彎截面系數(shù),截面變化盡可能平緩,過渡圓角盡可能大,尤其是軸承凸緣盤內(nèi)側(cè)根部的圓角。

2)軸承材料及表面熱處理。軸承對材料的要求很高：良好的力學(xué)性能(較高的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及延伸率),較好的耐磨性、耐腐蝕性和化學(xué)穩(wěn)定性;材料純潔度高,通過熱處理能得到高且分布均勻的表面硬度。建議軸承外圈、內(nèi)圈、鋼球材料選用GCr15鋼,凸緣盤材料選用65Mn,40Cr或SAE1055。軸承熱處理主要是調(diào)質(zhì)處理,經(jīng)熱處理后凸緣盤表面的力學(xué)性能會顯著提高,進(jìn)而提高軸承抗沖擊能力。

2 軸承側(cè)向動強(qiáng)度分析

車輛在行駛過程中會受到側(cè)向沖擊,其受力非常復(fù)雜,很難用單一工況或計(jì)算公式描述和覆蓋側(cè)向沖擊工況。因此,一般在軸承受力分析或沖擊試驗(yàn)時(shí)將車輪總成作為軸承的環(huán)境件,并基于ISO 7141：2022：“Road vehicles-Light alloy wheels-Lateral impact test”和企業(yè)經(jīng)驗(yàn)方法對車輛側(cè)向沖擊進(jìn)行分析研究。

2.1 車輪側(cè)向沖擊理論分析

根據(jù)動量守恒定律和能量守恒定律,在碰撞發(fā)生的瞬間車橋與障礙物之間的運(yùn)動關(guān)系為

maV0=maVA+moVB,

(2)

(3)

若不考慮能量損失,即Ed為零,聯(lián)立(2)、(3)式可得碰撞后車橋和障礙物的理論速度,即

(4)

(5)

式中：ma為車橋質(zhì)量,kg;mo為障礙物質(zhì)量,kg;Ed為碰撞過程中產(chǎn)生的能量損失,J;V0為發(fā)生碰撞時(shí)車橋的側(cè)向速度,m/s;VA為發(fā)生碰撞后車橋的側(cè)向速度,m/s;VB為發(fā)生碰撞后障礙物沿側(cè)向的速度,m/s。

已知車橋質(zhì)量ma,碰撞發(fā)生時(shí)車橋的側(cè)向速度V0可以通過測試或推算得出。只要確定障礙物質(zhì)量就可以求出碰撞后的速度。若考慮能量損失,也可通過測試和推導(dǎo)的方式得到能量損失,進(jìn)而求得碰撞后車輪及障礙物速度,得出軸承實(shí)際可承受的車輪側(cè)向沖擊速度。

2.2 車輪側(cè)向沖擊試驗(yàn)

軸承的側(cè)向沖擊試驗(yàn)通常需要搭載到車輪或后橋總成上進(jìn)行(幾乎沒有單獨(dú)的軸承側(cè)向沖擊試驗(yàn)或驗(yàn)證方法),比較典型的驗(yàn)證方法為ISO 7141：2022輪輞沖擊試驗(yàn)和某跨國車企的車輪沖擊試驗(yàn)。

2.2.1 輪輞沖擊試驗(yàn)

道路車輛輕合金車輪沖擊試驗(yàn)ISO 7141：2022作為輪輞開發(fā)的特有驗(yàn)證試驗(yàn),但也常作為軸承抗側(cè)向沖擊的驗(yàn)證方法。該試驗(yàn)主要考慮的工況或應(yīng)用場景為車輪撞上路緣(馬路牙子)等側(cè)向沖擊,其試驗(yàn)方法為質(zhì)量塊自由落體沖擊輪輞(圖3),質(zhì)量塊的質(zhì)量由(6)式確定,質(zhì)量塊頭部截面尺寸為125 mm×375 mm,自由落體高度為230 mm,質(zhì)量塊與車輪的夾角為13°,一次沖擊后輪輞不能出現(xiàn)斷裂。

圖3 輪輞沖擊試驗(yàn)臺

圖4 側(cè)向碰撞時(shí)側(cè)向沖擊速度與縱向速度

m=0.6mi+180,

(6)

式中：m為質(zhì)量塊質(zhì)量,kg;mi為沖擊橋質(zhì)量,kg。

對于13°的沖擊角度,ISO 7141：2022未給出說明,也未查到相關(guān)文獻(xiàn)的解釋和論證。本文對此做如下推斷：人遇到突發(fā)情況一般的響應(yīng)是0.2 s,轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角900 °/s(人體極限),轉(zhuǎn)向傳動比一般為14～20,人遇到障礙物時(shí)以極限速度轉(zhuǎn)動方向盤的轉(zhuǎn)角為0.2 s×900°/s=180°,再除以傳動比得到車輪轉(zhuǎn)角為9°～ 12.86°,13°可近似認(rèn)為是駕駛員發(fā)現(xiàn)障礙物時(shí)整車的縱向速度與發(fā)生碰撞時(shí)整車縱向速度的夾角,車輪發(fā)生側(cè)向碰撞時(shí)整車縱向速度與側(cè)向沖擊速度之間的幾何關(guān)系如圖 4 所示。

2.2.2 車輪沖擊試驗(yàn)

某跨國車企有專門針對車輪側(cè)向碰撞的試驗(yàn)——車輪沖擊試驗(yàn),以評估前、后橋發(fā)生側(cè)向碰撞時(shí)的抗側(cè)向沖擊能力。試驗(yàn)方法如圖5所示：通過擺錘對車輪的4個(gè)方位點(diǎn)(前點(diǎn)、后點(diǎn)、上點(diǎn)、下點(diǎn),沖擊上點(diǎn)和下點(diǎn)時(shí)方向盤是自由的,沖擊前點(diǎn)和后點(diǎn)時(shí)方向盤需鎖住)進(jìn)行沖擊,測試車橋所能承受的沖擊速度和能量。

圖5 車輪沖擊試驗(yàn)臺

被沖擊橋的2個(gè)車輪放在同一平面上,輪胎與地面的摩擦因數(shù)為0.8±0.1,擺錘質(zhì)量一般等于被沖擊橋滿載質(zhì)量,擺錘高度可以通過擺錘支架調(diào)節(jié),每個(gè)點(diǎn)的試驗(yàn)都需將高度調(diào)至對應(yīng)位置。每次試驗(yàn),施加連續(xù)的擺錘速度,從1 km/h開始沖擊,每次沖擊后測量橋的滑移,車輛外觀,車輛運(yùn)行情況(轉(zhuǎn)向/制動等性能)、前束、外傾、內(nèi)傾、后傾的變化,以1 km/h的速度遞增直至達(dá)到停止試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)。停止試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)有2個(gè)：1)停止標(biāo)準(zhǔn)為前束、外傾、內(nèi)傾、后傾超出公差范圍2倍,無任何導(dǎo)致零件壽命下降的損傷,對應(yīng)第1沖擊速度Vc1;2)前束變化大于15 mm或車輪外傾角大于4°, 零件有大的永久變形或斷裂,對應(yīng)第2沖擊速度Vc2。第 1沖擊速度滿足要求后才進(jìn)行第2沖擊速度的試驗(yàn)。試驗(yàn)通過的條件為Vc1>3 km/h,Vc1+1

試驗(yàn)原理為：擺錘從初始位置釋放后在重力作用下到達(dá)最低點(diǎn),傳感器記錄此時(shí)擺錘的速度;擺錘與車輪發(fā)生碰撞,車橋在沖擊力的作用下發(fā)生橫向滑移,擺錘隨車輪向滑移側(cè)擺動至速度為零,記錄車橋滑移量,通過能量守恒定理可計(jì)算出擺錘的實(shí)際沖擊速度。擺錘到達(dá)最低點(diǎn)時(shí)的總能量為

(7)

式中：mp為擺錘質(zhì)量,kg;v為擺錘通過最低點(diǎn)時(shí)的速度(傳感器測量),m/s。

沖擊后橋滑移損失的能量為

Eμ=magLμ,

(8)

式中：g為重力加速度,9.8 m/s2;L為輪胎滑移量,m;μ為地面附著系數(shù)。

沖擊后擺錘的潛在能量為

Er=mpgR(1-cosβ),

(9)

式中：R為擺錘擺動半徑,m;β為沖擊后擺錘擺動的最大角度,且β<<90°。

被沖擊車橋吸收的能量為

(10)

則車輪的實(shí)際沖擊速度為

(11)

2.2.3 試驗(yàn)結(jié)果

如1.1中所述車型,車輪沖擊試驗(yàn)的結(jié)果見表1(僅顯示達(dá)到停止條件結(jié)果)：沖擊速度為13.21 km/h(對應(yīng)整車縱向速度58.7 km/h)時(shí)軸承已經(jīng)出現(xiàn)異響,而沖擊速度為13.71 km/h(對應(yīng)整車縱向速度61 km/h)時(shí)軸承發(fā)生斷裂。據(jù)此可推斷沖擊速度為13.5 km/h(對應(yīng)整車縱向速度60 km/h)為軸承斷裂臨界點(diǎn),即整車能承受縱向速度不大于60 km/h的側(cè)向碰撞沖擊,高于該車速時(shí)軸承失效。

表1 車輪沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.3 整車側(cè)向極限試驗(yàn)

為驗(yàn)證車輛在路面上的抗側(cè)向沖擊能力,對前述車型進(jìn)行極限操作試驗(yàn),專業(yè)賽車手在平直良好路上直線加速行駛至60 km/h時(shí)拉手剎至后輪抱死,車輛出現(xiàn)側(cè)滑、甩尾,輪胎印記偏轉(zhuǎn)角度達(dá)到90°以上(圖6)。車輛繞某一點(diǎn)近似圓周運(yùn)動,經(jīng)實(shí)測車身最大側(cè)向加速度a為10.86 m/s2,甩尾半徑Rt約為4.5 m。

圖6 側(cè)向極限試驗(yàn)輪胎印跡

后橋最大側(cè)向速度為

在整車側(cè)向極限試驗(yàn)中,在開闊地面上車輪與地面或障礙物未發(fā)生碰撞,而車輪沖擊試驗(yàn)中車輪與擺錘發(fā)生碰撞,一個(gè)為靜態(tài)工況一個(gè)為動態(tài)沖擊工況。因此,側(cè)向極限試驗(yàn)中側(cè)向速度應(yīng)約為對應(yīng)車輪沖擊試驗(yàn)中沖擊速度的一半(見1.1中關(guān)于動載系數(shù)的描述),即

該速度小于導(dǎo)致軸承出現(xiàn)異響的臨界速度13.21 km/h,理論上軸承不會出現(xiàn)異響,試驗(yàn)后仔細(xì)檢查車輛除輪胎有輕微磨損外,無任何異常,驗(yàn)證結(jié)果與計(jì)算結(jié)果吻合。表明車輪沖擊試驗(yàn)工況可以覆蓋極限操作工況,軸承設(shè)計(jì)滿足車輛在車速為60 km/h以下的極限操作,不會出現(xiàn)失效。

3 結(jié)論

通過對軸承側(cè)向沖擊相關(guān)基礎(chǔ)理論、ISO 7141：2022和企業(yè)經(jīng)驗(yàn)方法的研究及整車驗(yàn)證,得出以下結(jié)論：

1)軸承強(qiáng)度設(shè)計(jì)需考慮抗側(cè)向沖擊,側(cè)向靜強(qiáng)度儲備系數(shù)建議取5,即軸承的最大側(cè)向設(shè)計(jì)承載為軸承最大靜態(tài)垂向軸載的5倍。可作為軸承設(shè)計(jì)的一個(gè)基準(zhǔn),提高設(shè)計(jì)效率的同時(shí)可以保證足夠的安全余量。

2)軸承的動態(tài)側(cè)向抗沖擊能力應(yīng)使軸承能承受住車輪側(cè)向13.5 km/h或整車縱向60 km/h急打轉(zhuǎn)向后車輪側(cè)向碰撞上障礙物而不發(fā)生斷裂。60 km/h可作為整車抗側(cè)向碰撞的一個(gè)臨界速度,整車及軸承的設(shè)計(jì)需保證該限速下發(fā)生側(cè)向碰撞而不至斷裂失效。且城市道路一般限速在60 km/h以下,車輛的設(shè)計(jì)至少應(yīng)滿足城市道路的極限操作,臨界速度低于60 km/h可能預(yù)示著軸承側(cè)向強(qiáng)度設(shè)計(jì)不足,存在安全風(fēng)險(xiǎn)。