基于剛度控制的汽車輪轂軸承關鍵參數設計

舒偉才，石伯妹，王中昊，張偉，楊建國

(1.浙江工業大學機械工程學院，浙江杭州 310023;2.萬向錢潮股份有限公司，浙江杭州 311202)

0 引言

汽車輪轂軸承剛性是輪轂軸承重要的性能指標，顯著影響汽車的行駛舒適性、操控穩定性以及安全性[1]，輪轂軸承剛度過高或過低都對汽車性能產生不利的影響，需要控制輪轂軸承在各力矩下的剛度。

國內外學者對輪轂單元的剛性進行了大量的研究[2-4]，周彥平等[5]利用有限元法對輪轂凸緣在力矩載荷條件下進行了接觸分析和計算，得到輪轂凸緣主軸的傾斜角變化特性。郭秋艷等[6]利用ANSYS對輪轂軸承內法蘭盤力矩剛度的測量過程進行了模擬，發現輪轂主軸的傾角與施加的力矩載荷基本成線性關系。黎桂華等[7]分析了輪轂軸承預緊力對其剛性的影響，總結出剛度隨著預緊力的增大而增大。

當前大多研究主要是輪轂軸承剛度的計算方法，但是缺少基于剛度控制的輪轂軸承關鍵參數設計。本文作者首先根據輪轂軸承剛性試驗方法，建立相應的仿真模型。然后利用在線設備檢測輪轂軸承預緊力，通過對比不同預緊力下輪轂軸承剛性試驗結果和仿真結果，驗證仿真模型的可靠性。最后利用有限元方法研究輪轂軸承關鍵參數對輪轂軸承剛性的影響規律和機制，重點分析了200和1 000 kN·mm力矩下輪轂軸承的剛度。

1 輪轂軸承剛性試驗方法

圖1為輪轂軸承剛性試驗裝置。在距離軸承中心與車輪半徑相等的位置處施加載荷，在上、下板輪轂單元兩側分別放置兩個位移測量探頭，記錄從0到最大力矩過程中的位移值，然后計算得到輪轂軸承的剛度。在加載位置處利用鋼球進行力的傳遞，以提高加載半徑的精度。

圖1 輪轂單元剛性試驗裝置

2 剛性仿真模型的建立與驗證

2.1 仿真模型的建立

建立的有限元網格模型如圖2所示。彈性模量為2.1×105N/mm2，泊松比為0.3，選擇ABAQUS模擬剛性試驗過程[8]。由于輪轂單元鋼球數量多、與滾道接觸對多，收斂極其困難，在鋼球與滾道接觸附近采用六面體網格劃分，采用C3D8R單元類型[9-10]，滾道接觸部位網格尺寸設置為0.5 mm，并且接觸部位節點對齊，從而解決有限元計算過程的收斂問題。

2.2 仿真模型的試驗驗證

對輪轂軸承進行剛性試驗前測量其預緊力的大小。圖3為輪轂軸承卸載力在線檢測設備[11]，將輪轂軸承放置在底座上，對輪轂軸承外圈施加壓力，使底座一側鋼球壓緊，另一側鋼球卸載，其卸載力直接在設備上顯示(如圖4所示)。然后根據理論計算得到輪轂軸承的預緊力。

圖2 輪轂軸承剛度計算有限元模型

圖3 輪轂軸承卸載力在線檢測設備

圖4 輪轂軸承卸載力在線檢測設備界面

表1—表3分別為不同型號不同預緊力輪轂軸承剛度試驗結果與仿真結果。從表中可以看出，最大誤差為6%，說明建立的有限元模型是可靠的。

表1 某福特汽車輪轂軸承剛性試驗與仿真對比

表2 某比亞迪汽車輪轂軸承剛性試驗與仿真對比

表3 某通用汽車輪轂軸承剛性試驗與仿真對比

3 輪轂軸承關鍵參數和計算方案

輪轂軸承關鍵參數如圖5所示。

圖5 輪轂軸承關鍵參數示意圖

鋼球中心O1O2O3O4構成矩形，鋼球與內外滾道的切線AB、AC和輪轂軸承旋轉中心線交于點B和點C。鋼球中心圓直徑O3O4、鋼球直徑、鋼球數目、兩列鋼球中心間距O1O2和接觸角α是輪轂軸承關鍵參數(見圖5)。在設計外部空間確定后，鋼球中心圓直徑O3O4設計空間不大，鋼球大小和鋼球數目受到鋼球中心圓直徑O3O4的制約，而兩列鋼球中心間距O1O2和接觸角α具有較大的設計空間。

選擇輪轂軸承的基本參數如下：鋼球中心圓直徑O3O4=61.5 mm，鋼球直徑φ=13 mm，單列鋼球數為12。

為確定預緊力F對輪轂軸承剛性的影響，選擇預緊力F={2, 4, 6, 8} (kN), 兩列鋼球中心間距O1O2=17 mm，接觸角α=40°。

為確定兩列鋼球中心間距O1O2對輪轂軸承剛性的影響，選擇兩列鋼球中心間距O1O2={16, 17, 18, 19, 20, 21, 22} (mm)，預緊力F=6 kN，接觸角α=40 °。

為確定接觸角α對輪轂軸承剛性的影響，選擇接觸角α={35°, 40°} ，預緊力F=6 kN，兩列鋼球中心間距O1O2=17 mm。

4 結果與討論

4.1 預緊力對輪轂軸承剛性的影響

不同預緊力輪轂軸承力矩對剛性的影響如圖6所示。在200 kN·mm的力矩作用下，當預緊力為2 kN時， 輪轂軸承剛度為5 139 kN·mm/(°)；當預緊力為4 kN時， 輪轂軸承剛度大幅增加到6 671 kN·mm/(°)；當預緊力增加到6和8 kN時，輪轂軸承剛度稍微增加，分別為7 023、7 046 kN·mm/(°)。在1 000 kN·mm的力矩作用下，預載荷增加2 kN，剛度增加約270 kN·mm/(°)。當輪轂軸承預緊力比較小時，鋼球與滾道在較低力矩時候產生相對大的變形，所以剛度較小。

圖6 不同預緊力輪轂軸承力矩對剛性的影響

4.2 兩列鋼球中心間距對輪轂軸承剛性的影響

不同兩列鋼球中心間距輪轂軸承力矩對剛性的影響如圖7所示。在200 kN·mm的力矩作用下，兩列鋼球中心間距每增加1 mm，輪轂單元剛度增加約80 kN·mm/(°)；在1 000 kN·mm的力矩作用下，兩列鋼球中心間距每增加1 mm，輪轂單元剛度增加約90 kN·mm/(°)。根據杠桿原理，增加O1O2(見圖5)，當接觸角相同，相當于增加力臂長BC，在相同的力矩作用下，作用力降低導致輪轂軸承變形降低，剛度增加。

圖7 不同兩列鋼球中心間距輪轂軸承力矩對剛性的影響

4.3 接觸角對輪轂軸承剛性的影響

不同接觸角輪轂軸承力矩對剛性的影響如圖8所示。在200 kN·mm的力矩作用下， 40°接觸角比35°接觸角輪轂軸承剛度大556 kN·mm/(°)；在1 000 kN·mm的力矩作用下，40°接觸角比35°接觸角輪轂軸承剛度大329 kN·mm/(°)。同樣根據杠桿原理，保持O1O2和O3O4長度不變(見圖5)，從35°～40°間增加接觸角，相當于大幅增加力臂長BC，在相同的力矩作用下，作用力降低導致輪轂軸承變形降低，剛度增加。

圖8 不同接觸角輪轂軸承力矩對剛性的影響

5 結論

根據輪轂軸承剛性試驗方法建立了有限元模型，通過對比不同預緊力輪轂軸承的試驗結果與仿真結果，驗證了仿真模型的可靠性。研究成果可指導輪轂軸承關鍵參數設計，使其達到輪轂軸承剛度控制要求。具體結論如下：

(1)在200 kN·mm的力矩作用下，大預緊力和小預緊力的輪轂軸承剛度差值比較大，當預緊力增加到6和8 kN時剛度變化不大。在1 000 kN·mm的力矩作用下，預載荷增加2 kN，剛度增加約270 kN·mm/(°)。

(2) 在200 kN·mm的力矩作用下，兩列鋼球中心間距每增加1 mm，輪轂單元剛度增加約80 kN·mm/(°)。在1 000 kN·mm的力矩作用下，兩列鋼球中心間距每增加1 mm，輪轂軸承剛度增加約90 kN·mm/(°)。

(3)在200 kN·mm的力矩作用下， 40°接觸角比35°接觸角輪轂軸承剛度大556 kN·mm/(°)；在1 000 kN·mm的力矩作用下，40°接觸角比35°接觸角輪轂軸承剛度大329 kN·mm/(°)。