轴向游隙对轿车轮毂轴承性能的影响

0+
a2 ) = 0,
( 6)
式中: K n 为 载荷 - 位移常数, 由轴承结构参 数决 定 [ 3] ; A 为载荷 作用前 内、外圈沟 道曲率 中心 距 离; F r1, F r2 分别 为作 用于 内、外列轴 承的 径向 载 荷; r1和 r2分别为内、外列轴承的径向位移; 0 为 轴承 的名 义 接触 角; 为 钢 球的 位 置 角。 联 立 ( 1) ~ ( 6)式, 运用 N ew ton- Raphson方法求解, 可
0+
a1 ) = 0,
( 5)
F a2 - K nA 1. 5
m ax( 0,
=0
{ [ ( sin
0 + a2 ) 2 + [ ( sin 0 +
( cos 0 + r2 cos a2 ) 2 + ( cos 0 +
) 2 ] 1 /2 - 1} ) 1. 5 ( s in r2 cos ) 2 ] 1 /2
图 2给出了用于驱动轮的第 1代轮毂轴承的 轴向游隙对轴承位移的影响结果。图 2显示了在 两种典型的行驶状态 ( ag = - 0. 25g, ag = 0)下, 每 一列轴承的径向和轴向位移相对轴向游隙的变化 情况。左转弯时, 轴向游隙 对内列轴承的位移影 响很小。图 2 中还显示, 如 果轴承在一个合适的 负轴向游隙状态下工作, 轮 毂轴承的位移将得到 抑制 (减少 )。
3
荷增大 ), 疲劳寿命迅速降低。
图 2 轴向游隙对轴承轴向和径向位移的影响
图 3 轴向游隙对相对倾斜角的影响
以外; 其他行驶状态下, 相对倾斜角均受到轴向游 隙的显著影响, 轴向 负游隙 越大, 相对 倾斜角 越 小, 两者成 近似线性关系。当轴承在较大 的轴向 正游隙状态下工作, 其在转弯状态下的相 对倾斜 角显著加大。 2. 2 对系统疲劳寿命的影响分析 [ 8 ]
( 2)
作用于轿车轮胎的径 向、轴向载荷计算 公式
可以由轿车的稳态转弯模型推导 [ 4 ] 。
采用数值 方法 对离散 沟道钢 球接 触载 荷求 和, 可以得到以下轴承平衡方程
F r1 - K nA 1. 5
m ax( 0,
=0
{ [ ( sin
0+
a1 ) 2 + ( cos 0 + r1 cos ) 2 ] 1 /2 - 1} ) 1. 5 ( cos 0 + [ ( s in 0 + a1 ) 2 + ( cos 0 + r1 cos ) 2 ] 1 /2
显然, 轴向游隙对轴承位移的影响 会在其对 力矩刚性影响上反映出来。图 3给出了在 3种行 驶状态下 ( ag = - 0. 25g, 0g, + 0. 25g )轴承相对倾 斜角受轴向游 隙的影 响分 析结 果。除 了在 直线 行 驶状态下, 轴向游隙对相对倾斜角的影响不大
黎桂华: 轴向游隙对轿车轮 毂轴承性能的影响
图 1给出了 轿车轮毂轴承 结构及受载 分析。
收稿日期: 2010- 07- 19; 修回日期: 2010- 09- 06
图 1 轿车轮毂 轴承结构及受载分析
考虑接触角的变化和轴向预载荷, 基于静力学分
析方法建立 2自由度的数学模型, 由于该轴系为
静不定系统, 轴承载荷不能 从静平衡方程中全部
求解, 这里采用数值求解方 法求解轮毂轴承载荷
L I Gui- hua
( Shaoguan Southeast Bear ing Co. , L td . , Shaoguan 512029, China)
Ab stract: T he load distr ibution and d isp lacem ents are obta ined by using a num erica l approach fo r car hub bear ings, and then the effect of ax ial c learance on pe rfo rm ances of car hub bear ing s are investigated, such as the m om ent r ig id ity and the fatigue life. Based on th is, the theoretic explanation is g iven about the w hee l slosh ing , and the design issues fo r the ax ia l c learance are further d iscussed. K ey w ords: hub bea ring; ax ial c lea rance; fa tigue life; mom ent
ISSN 1000- 3762 轴承 2011年 1期 CN 41- 1148 /TH Bearing 2011, N o. 1
产品设计与应用
1- 3, 7
轴向游隙对轿车轮毂轴承性能的影响
黎桂华
(韶关东南轴承有限公司, 广东 韶关 512029)
摘要: 给出了求解轮毂轴承载荷 分布、轴承位移的数值方法, 然 后探讨了 轴向游 隙对轿 车轮毂 轴承疲 劳寿命 和
r2 cos
) cos
=
0,
( 4)
F a1 - K nA 1. 5
m ax( 0,
=0
{ [ ( sin
0 + a1 ) 2 + [ ( sin 0 +
( cos 0 + r1 cos a1 ) 2 + ( cos 0 +
) 2 ] 1 /2 - 1} ) 1. 5 ( s in r1 cos ) 2 ] 1 /2
2. 3 车轮晃动的理论解释 轿车的轮胎径向载荷作用线相对轴承中心往
往会有偏移, 轮毂轴承在轿 车非直线行驶过程中 会受到上述外部载荷形成的力矩作用。如果在由 外部载荷形 成的力矩 作用下 导致相 对倾斜 角过 大, 则通常表现为车轮晃动。
从轮毂轴承早期失效统计数据来看, 车轮晃 动及轴承异响占比较大的比例。除了早期疲劳剥 落失效、异物侵入引起轴承异响之外, 其他类型的 失效基本上可以归因于轴承的轴向游隙过大。轴 承工作时轴向游隙较大, 导致其相对倾斜角过大, 最终表现为车轮晃动和 /或伴随轴承异响。严重 时, 由于滚动体偏离正常的工作区域, 会引起轴承 异响。与轴承配合的部件精度不满足工程应用要 求时, 往往也会导致车轮晃 动及轴承异响等失效 现象, 但不属本次讨论范围。
1 数学分析方法
研究的轿车轮毂轴承为用于前驱动轮的第 1 代轮毂轴承单元, 为双列角接触球轴承结构, 如图 1所示。轿车轮毂轴承转速一般在 1 000 r /m in左 右, 属于中、低速应用场合, 因此, 钢球离心力和陀 螺力矩的影响可忽略不计, 而且钢球上的 摩擦力 和力矩也不会显著影响载荷分布。 1. 1 载荷分布求解
于每一种行驶状态求解每一列轴承的载荷分布, 然后进 一 步计 算该 行 驶状 态 下的 疲劳 寿 命
( L - 0. 25g, L 0g, L + 0. 25g ) [ 2] 。 基于每一种行驶状态及其使用率, 内、外列轴
承的疲劳寿命 L1, L2 为
Li=
0.
05 /L - 0. 25g +
0.
1 90 /L0g +
r1 cos
) cos
=
0,
( 3)
F r2 - K nA 1. 5
m ax( 0,
=0
{ [ ( sin
0+
a2 ) 2 + ( cos 0 + r2 cos ) 2 ] 1 /2 - 1} ) 1. 5 ( cos 0 + [ ( s in 0 + a2 ) 2 + ( cos 0 + r2 cos ) 2 ] 1 /2
以计算出内、外列轴承的径向、轴向位移 ( r1, r2, a1, a2 )以及轴向载荷 ( Fa1, F a2 )。应用这一计算
结果, 可以进一步求出内、外列轴承的每一角位置 处钢球的法向接触载荷 Q , 接触角 , 钢球与内、
外沟道间的法向 H ertz变形 i , e 和 H ertz接触应
力
i,
0.
05 /L+ 0. 25g
( i= 1, 2),
( 7)
轮毂轴承系统疲劳寿命为
L sys = [ (L 1 ) - 10 /9 + (L 2 ) - 10/9 ] - 。 9 /10
( 8)
1. 3 力矩刚性
轿车轮毂轴承的力矩刚性是通过相对倾斜角
来衡量的, 是轿车制动器刚性的重要组成部分,
由两列轴承的径向位移 ( r1, r2 )差异引起, 并受到 两轴承载荷作用点距离影响。轿车轮毂轴承的力 矩刚性为
与通用轴承相比较, 轿车轮毂轴承是 技术复 杂程度相对较高的一类轴承。自 1938 年 SKF 公 司制造的轮毂轴承单元问世以来, 轮毂轴 承就一 直向着高载荷能力、结构紧凑、免维护、高 可靠性 以及轻量化方向发展 [ 1- 2] 。汽车整车厂对关键零 部件的早期失效要求越来越严格。轮毂轴承早期 失效的典型现 象为出 现异响、车轮 晃动 [ 3] 等, 因 此, 研究轴向游隙对轿车轮毂轴承性能的 影响很 有意义。
3 轴向游隙的设计要点
为了取得更长的疲劳寿命并提高力矩 刚性, 必需对轮毂轴承施加合适的轴向预载荷, 以使轴 承在负的轴向游隙下工作。鉴于疲劳寿命和力矩 刚性相对轴向游隙的变化规律相反, 设计时, 为了 得到整体最优设计方案, 一 般需要进行多目标优 化。
对于采用螺母预紧的轮毂轴承单元, 为了得 到合适的工作游隙, 需要综 合考虑轴承的原始游 隙、其与轴及轴承座孔的配合、螺母锁紧力矩等因 素。对于采用其他方式 (如轴铆合 )实现预紧的轮 毂轴承单元, 在实施预紧前 需确保轴承处于适当 的原始轴向游隙并有效控制轴向预紧载荷。
。 [ 5]
e
1. 2 疲劳寿命
通常, 根 据 5% 左 转 ( 侧 向 加 速 度 ag =
- 0. 25g, g 为重力加速度, 下同 )、5% 右转 ( ag = + 0. 25g )和 90% 直线行驶 ( ag = 0)的载荷谱计算轿 车轮毂轴承的疲劳寿命 ( 90% 的可靠性 ) [ 6] 。对
分布。轮胎轴向载荷 Fy r与施加于内、外列轴承的 轴向载 荷 ( F a1, F a2 )平衡; 此外, 轴 承轴向游隙 0
与两列轴承受载后的轴向位移之和 a1 + a2也必 须平衡, 即有
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Fa1 - F a2 + Fy r = 0。
( 1)
2
轴承 2011. . 1
a1 + a2 + 0 = 0,
轮毂轴承轴向游隙显著影响轴承内部的载荷 分布和位移以及 由内部接 触载 荷决定 的疲劳 寿 命。图 4给出了该 轮毂轴承单元内、外列 轴承疲 劳寿命及系统疲劳寿命受轴向游隙的影响结果。 轮毂轴承处于一个合适的轴向负游隙时系统寿命 最长, 但随着轴向负游隙进一步增大 (即轴向预载
图 4 轴向游隙对轮毂轴承单元疲劳寿命的影响
力矩刚性的影响, 在此基础上给 出了 车轮晃动 的理论解释, 并进一步讨论了轴向游隙的设计要点。
关键词: 轮毂轴承; 轴向游隙; 疲劳寿命; 力矩
中图分类号: TH133. 33+ 1
文献标志码: A
文章编号: 1000- 3762( 2011) 01- 0001- 03
E ffect of Axial C learance on Perform ances of Car Hub Bearings
= arctan ( r1 - r2 ) /S,
( 9)
式中: S 是两列轴承载荷作用点间距。
2 轴向游隙对轿车轮毂轴承性能的 影响分析
2. 1 对力矩刚性的影响分析 现在的轿车轮毂轴承单元通常集成了轮毂主
轴、转向节联结凸缘盘等外围部件。这些外围部 件在外部载荷的作用下会发生弹性变形, 其刚性 也是轿车轮毂轴承力矩刚性的组成部分。实践中 往往通过测量分析相对倾斜角来评定轮毂轴承的 力矩刚性。文献 [ 7 ] 的研究结果表明: 一般来说, 轮毂轴承本身的力矩刚性是轮毂轴承单元整体力 矩刚性的主要组成部分。
此外, 由于轿车转弯行驶过程中存 在侧向轮 胎 载荷, 轴承外径面与转向节座孔之间的过盈配
(下转第 7页 )
周琼, 等: 汽车水泵轴承密封圈接触应力有限元分析
7
力随初始过盈量的增加而增大, 呈近似线性关系。 接触应力增加会提高密封压力, 增加密封效果; 但 过盈量增加也会使唇口与轴之间的压紧力增大, 摩擦力增大, 进而使摩擦发热增加, 磨损加剧。因 此, 初始过盈量的选择对密封圈的密封性 能有着 至关重要的影响。