轿车轮毂轴承力学性能分析

泊松比 0.3 0.29
屈服极限 MPa 380 400
强度极限 MPa 645 650
3.2.3 创建接触对
根据轮毂轴承装配及受载情况，研究共设置七组接触对。所 有的接触均定义为粗糙接触。接触面选择 CONTACT 174 单元， 目标面选择 TARGET 170 单元。
3.2.4 加载并给定约束
（2）
式中：FZ —径向载荷，方向垂直于地面向上；FY —轴向载荷，式中
负号表示由轮胎外侧指向内侧；W—满载时前轴质量；g—
重力加速度；H—轿车质心高度；T—前轴轮距；ay —侧向加
速度，取最大值为 0.5g。轿车参数，如表 1 所示。
小，因此不考虑几何非线性以及材料非线性； （4）由于主轴与内法兰盘是间隙配合，并且内法兰盘的倾斜
分析中，轮毂轴承所有部件均采用实体单元 Solid45。内法兰 盘与外法兰盘的材料为 55# 钢，小内圈与滚子采用的材料为 GCr15，材料参数，如表 2 所示。
表 ２ 材料参数 Ｔａｂ．２ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
材料 弹性模量 MPa 55 钢 2.01E5 GCr15 2.07E5
Abeolute Converaence Norm
1.01+00
1.01+01
1.02+00
1.03+01
0
20
40
60
80
100
10
30
50
70
90
Cuivlative：Iteration Nunber
图 5 力收敛曲线 Fig.5 Force Convergence Curve
4.1 有限元结果分析
研究轮毂轴承的力学性能。其中，强度用最大等效应力来描 述，刚度用力矩刚性来描述，力矩刚性为轮毂轴承的相对倾斜角。
4.1.1 强度分析
轮毂轴承单元的等效应力云图，如图 6 所示。最大应力发生 在钢球与内法兰滚道接触部位，与实际情况吻合，说明有限元模 型比较准确。接触部位最大等效应力达到 2509MPa。由于 GCr15 轴承钢经过淬火等热处理，其马氏体组织的极限强度一般处在 3500MPa 左右，因此符合安全需要。
Car Wheel Hub Bearing Mechanics Performance Analysis
WANG Wei，LIN Fen，ZHANG Yao-wen，ZHU Wei-wen
（Department of Automotive Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Jiangsu Nanjing 210016，China）
3.1 几何建模
针对轮毂轴承的运动特点，对几何模型作如下假设： （1） 由于轮毂轴承自由端的倒圆及倒角对轮毂轴承内部应 力以及力矩刚性影响较小，因此可以忽略； （2）建模时不考虑游隙以及油膜对轮毂轴承的影响；
图 3 网格划分模型 Fig.3 Meshing Model
3.2.2 定义单元类型及材料属性
机械设计与制造
第3期
192
Machinery Design ＆ Manufacture
2014 年 3 月
轿车轮毂轴承力学性能分析
王 伟，林 棻，张尧文，朱为文
（南京航空航天大学 车辆工程系，江苏 南京 210016）
摘 要：针对轮毂轴承开展合理精确的有限元分析，对轮毂轴承的开发具有重要意义。以某型轿车第三代驱动轮轮毂轴 承单元作为研究对象，采用 Hypermesh 建立与轮毂轴承转弯工况相等效的有限元模型，导入 ANSYS 求解分析轮毂轴承 单元的力学性能。将力矩刚性仿真结果与试验结果进行比对，误差控制在 8%以内，二者具有较好的一致性，验证了有限 元模型的正确性。仿真结果表明，轮毂轴承单元的刚度与外加载荷基本成线性关系；在极限转弯工况下，轮毂轴承所受最 大等效应力位于滚子与法兰的接触部位，但未超过材料的强度极限，因此符合安全需要。该研究为轮毂轴承的开发及优 化设计提供了参考依据。 关键词：轿车轮毂轴承；有限元分析；强度；刚度 中图分类号：TH16；U463.2；TH133 文献标识码：A 文章编号：1001-3997（2014）03-0192-04
数—求解及后处理。研究的技术路线图，如图 1 所示。
三维建模（不含保持架）
Hypermesh 划分均匀网格
Hypermesh 网格加密
结果 1
导入 ANSYS， 求解计算
结果 2 N
试验结果
结果是否一致 Y
有限元分析结果
N
结果是否一致
模型改进
Y 静力学分析结果
图 1 技术路线图 Fig.1ຫໍສະໝຸດ BaiduTechnology Roadmap
Abstract：Wheel hub bearing unit is one of the key components of cars bearing and precision-oriented. Conducting reasonable and accurate finite element simulation analysis for wheel hub bearing unit has important significance for the development of wheel bearings. Taking the third generation driving wheel hub bearing of a certain type of car as a research object，the finite element model is established by Hypermesh based on the actual cornering conditions model of wheel hub bearing，and then imported ANSYS to solve its strength and stiffness. Compared with results tested by rigid torque testing machine，the error is controlled in less than 8%. They have a high level of consistency. It verifies the correctness of the finite element model. And the stiffness of the wheel hub bearing unit load is basically a linear relationship with the load. In extreme cornering conditions，wheel bearings suffer the maximum equivalent stress which in the contact area of the roller with flange. But the stress does not exceed the ultimate strength of the material，and therefore meet the security needs. It provides the important reference for the research and optimization of hub bearing. Key Words：Automotive Hub Bearing；Finite Element Analysi（s FEA）；Strength；Stiffness
在轮毂单元结构中，外法兰与车身相连，内法兰与制动盘相 连。为了真实模拟车辆在实际运行中所受载荷以及与试验加载条
No.3
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机械设计与制造
Ｍａｒ．２０１４
件相符合，研究采用如下边界条件： （1）将外法兰盘螺栓孔固定，进行全约束；（2）由于模型属于
对称结构，将对称面施加对称约束；（3） 对内法兰盘端面施加弯 矩，大小为 1.16×106N·mm，并施加大小为 4000N 的轴向载荷。通 过建立 MPC184 刚性梁单元施加弯矩。
林 棻，（1980-），男，江苏南京人，副教授，博士，主要研究方向：汽车结构分析与设计方法及汽车动力学方面的研究
第3期
王 伟等：轿车轮毂轴承力学性能分析
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研究对象进行计算，计算公式如下所示[11]：
（3） 由于轮毂轴承采用的均为线性弹性材料，塑性变形很
FZ
=
1 2
W·g+
H T
W·ay
（1）
FY =-FZ·aby
对法兰盘轮毂进行优化验证，并未对轮毂轴承整体模型进行分析 验证。文献[8-10]采用 LS-DYNA 对球轴承进行了显示动力学仿真， 但是网格划分较为稀疏，针对接触区域并未进行网格细化，计算 精度不高。
综合以上考虑，以某型轿车前驱动轮第三代轮毂轴承作为 研究对象，提出从轮毂轴承整体模型出发，建立符合轮毂轴承受 载工况的精细化的整体有限元模型，力求准确考察轮毂轴承的强 度和刚度。并将力矩刚性仿真结果与试验测试结果进行比对，验 证了有限元分析的正确性，精确的预测了轮毂轴承的力学性能。
1 引言
轮毂轴承是轿车轴承中技术要求较高的一种，对汽车安全 性以及舒适性至关重要。三代轮毂轴承是基于传统轮毂轴承发展 起来的，通过两个法兰盘连接车轮和车身[1]，预先调整游隙，采用 旋压技术施加预紧载荷，免维护，提高了使用寿命。轮毂轴承的关 键性能指标（如：强度、刚度、疲劳寿命等）均与力学性能紧密相 关。作为影响轮毂轴承使用寿命的重要指标，强度一直是工作人 员重点研究对象。刚度则显著影响轿车的行驶舒适性、转向平稳 性以及安全性。因此轿车制造商对此要求非常严格[2]。
3.3 求解
将有限元模型导入 ANSYS，如图 4 所示。同时设置相关非线 性求解参数。
图 4 有限元模型 Fig.4 Finite Element Model
4 计算结果分析
本次分析，经过 49 次迭代运算达到收敛，如图 5 所示。
1.00+00 1.01+00
Time=80
F CRIT F L2
2 轿车轮毂轴承外载荷计算
轮毂轴承的外载荷是通过轮胎施加在轮毂轴承上面的，即 路面对轮胎的载荷均间接作用于轮毂轴承，因此可认为轮胎所受 载荷等价于轮毂轴承的外载荷。
对于轿车驱动轮轮毂轴承，选取所受载荷较大的一侧作为
来稿日期：2013-09-27 基金项目：国家自然科学基金资助项目（10902049）；中国博士后科学基金资助项目（2012M521073） 作者简介：王 伟，（1989-），男，江苏南通人，硕士研究生，主要研究方向：汽车结构分析与设计方法研究；
针对轴承的力学性能分析，国内外学者开展了大量工作。文 献[2]介绍了轮毂轴承单元力矩刚性的试验方案及计算公式；文献[3-5] 分析了法兰盘轮毂的强度和刚度，并利用试验验证了有限元结果 的正确性；以上都是采用约束内法兰的方案，与轮毂轴承实际受 载情况相反。文献[6-7]对法兰盘轮毂进行轻量化设计，但是只是针
前轮距 车轮滚动半径 轮毂偏移量
驱动形式
数值 2245kg 1013kg 705mm 1480mm 290mm 2.3mm 前驱
经过式（1）、（2），计算求得：
FY=-3667.82N，FZ=7335.64N 已知车轮滚动半径 RS 为 290mm，轮毂偏移量 e 为 2.3mm。 轮毂轴承承受弯矩： M=FY·RS+FZ·e=1.08×106N·mm
3 有限元建模
轮毂轴承有限元分析按如下步骤进行：几何建模—划分网格—
定 义 单 元 及 材 料—创 建 接 触 对—施 加 边 界 条 件—设 置 求 解 参
图 2 几何模型 Fig.2 Geometric Model
3.2 Hypermesh 前处理 3.2.1 网格划分
研究对轮毂轴承模型划分六面体网格。由于轮毂轴承的对 称性，因此取一半模型进行分析，提高求解效率。将接触区域进行 网格细化。本次分析最终网格数目为 71 万，网格模型，如图 3 所 示。
角一般都很小，因此建模的时候不把主轴画出； （5）研究为静力学分析，保持架对受力情况影响很小，因此
建模时忽略保持架。 采用三维建模软件 CATIA 建立轮毂轴承简化模型，如图 2
所示。
表 １ 某轿车结构参数 Ｔａｂ．１ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ａ Ｃａｒ
结构参数 整车满载质量 满载前轴荷 满载重心高度