汽車輪轂軸承單元軸鉚合鉚頭傾角有限元分析

李雪原，雷良育，2，劉兵，董亮，胡燁

（1.浙江農林大學 工程學院，浙江 臨安 311300；2.浙江兆豐機電股份有限公司，杭州 311232）

輪轂軸承單元作為汽車的關鍵零部件，不僅要承受整車的重量，還起到為輪轂轉動提供精準的導向作用［1］。輪轂軸承單元發展迅速，目前主要使用的是第3代［2］。為了減輕輪轂軸承單元的質量，更加緊湊化，提高安全性和可靠性，第3代輪轂軸承單元改變了第2代使用連接螺母的方式，采用軸端的冷鉚成形技術，使芯軸產生塑性變形，起到卡緊內圈的作用［3-4］。以輪轂軸承單元軸鉚合過程的塑性變形為研究對象，分析芯軸在鉚合過程中的變形和應力分布情況，研究傾角對軸鉚合質量的影響規律。

1 輪轂軸承單元軸鉚合工作原理

軸鉚合工藝的工作原理如圖1所示，內圈和芯軸裝配在一起，鉚頭與芯軸之間存在傾角θ，鉚頭在旋鉚機的帶動下繞O點根據設定的軌跡做旋轉運動，同時逐漸下壓，最終將芯軸頭部旋壓成圖中虛線形狀［5-8］。輪轂軸承單元軸鉚合過程分為3個階段：1）鉚頭旋轉下降，與芯軸接觸；2）鉚頭在動力頭的帶動下沿芯軸內表面做擺動輾壓運動，使芯軸的外表面開始與內圈接觸；3）鉚頭動作使內圈所受卡緊力逐漸增大直至飽和。鉚頭運動軌跡主要分為直線軌跡、圓形軌跡、螺旋式軌跡等。由于軸鉚合工藝屬于金屬塑性變形，且鉚頭結構及運動較為復雜，容易產生鉚頭磨損、工件表面擦傷甚至產生裂紋等缺陷［9］。

圖1 輪轂軸承單元軸鉚合工作原理Fig.1 Schematic diagram of shaft end riveting of hub bearing units

2 模型的建立

第3代輪轂軸承單元結構如圖2所示。

圖2 輪轂軸承單元結構Fig.2 Structure diagram of hub bearing unit

2.1 實體模型的建立

由于DEFORM-3D中無法建立實體模型，因此選擇三維軟件UG建模。為了軸鉚合有限元模擬運算方便，只建立鉚頭、芯軸和內圈的模型，并將3D模型簡化后導入DEFORM-3D中。輪轂軸承單元軸鉚合裝配體模型如圖3所示。

圖3 輪轂軸承單元軸鉚合裝配體模型Fig.3 Hub bearing unit shaft riveting assembly model

2.2 有限元模型的建立

DEFORM-3D致力于各種金屬成形過程的三維流動分析，主要用于工藝過程的仿真，提供一個非常有價值的數據分析過程［10］，是一種模擬工藝仿真過程的理想工具。汽車輪轂軸承單元軸鉚合的工藝參數見表1。

表1 輪轂軸承單元軸鉚合工藝參數Tab.1 Process parameters of hub bearing unit riveting

2.2.1 材料的定義

鉚頭材料為Cr12MoV，芯軸材料為55＃鋼，內圈材料為GCr15，主要材料的力學性能參數見表2。輪轂軸承單元軸鉚合工藝為典型的塑性變形，因此芯軸選擇為塑性體，鉚頭和內圈設為鋼體。芯軸材料選擇軟件材料庫中對應的AISI-1055，其力學性能與55＃鋼基本一致。

表2 主要材料及其力學性能參數Tab.2 Main materials and their mechanical properties

2.2.2 網格劃分

采用四面體網格，由于軟件具有網格自適應功能，因此在仿真過程中出現形狀畸變等問題時，軟件可以自動進行網格的重新劃分并繼續計算，從而提高了模擬運行的效率。這里只對芯軸進行網格劃分，經過試驗，芯軸網格劃分的單元數目為80 000，可以提高運算效率，同時保證模擬的精度。劃分網格后的芯軸如圖4所示。

圖4 芯軸網格劃分Fig.4 Meshing of core axis

2.2.3 約束條件

1）為保證芯軸和內圈固定不動，設置芯軸底面作為x，y和z速度方向的約束。

2）旋壓鉚頭自轉方向與主軸轉動方向相反，取輸入旋轉速度ω1＝633 mm／s，旋轉軸為鉚頭自身的中心軸線。鉚頭繞模型幾何中心的旋轉速度為663mm／s，回轉軸選擇 -x軸，即鉚頭的鉚壓方向。旋轉運動參數設置實現了鉚頭在空間的旋轉運動與實際相符。

2.2.4 仿真環境設定

輪轂軸承單元軸鉚合工藝為冷變形加工，摩擦因數用系統默認值0.12。工作溫度取室溫20℃。

3 結果與分析

有限元仿真工藝參數設置好后，通過模擬計算得到的有限元仿真模型如圖5所示。

圖5 仿真結果Fig.5 Simulation results

3.1 應力、應變特征

以5°傾角為例，計算得到芯軸的等效應力分布云圖如圖6所示。由圖可知，芯軸在不同的位置所受應力大小差異明顯，在鉚頭與芯軸接觸較多的上表面邊緣以及芯軸與內圈貼合的彎角處所受應力較大；而在其內部區域和芯軸下部受力以及變形較小。

圖6 仿真后芯軸的應力分布情況Fig.6 Stress distribution of core shaft after simulation

3.2 鉚頭傾角對鉚合的影響

汽車輪轂軸承單元軸鉚合工藝的鉚頭傾角一般取3°～5°，旋鉚機生產廠家設定鉚接傾角為5°。為了驗證傾角選擇的合理性，根據具體的產品，在DEFORM-3D有限元仿真軟件中，保持其他鉚合條件一致，只改變鉚頭傾角（3°，4°，5°，6°）進行仿真，并將仿真結果進行對比分析，得出最佳鉚頭傾角。由輪轂單元鉚合精整階段等效應力分布云圖可以得出，3°，4°，5°，6°所受到的最大應力分別為897，884，878，882 MPa，鉚合應力變化較小，其中5°鉚合傾角下芯軸所受的應力最小。

內圈卡緊力主要防止軸承在運轉時發生軸向位移，卡緊力過小，內圈易發生晃動，其安全性降低；卡緊力過大，容易將內圈壓變形，甚至影響到滾子及其他部件的質量。因此輪轂軸承單元的內圈卡緊力應該限制在一定范圍內，保證輪轂軸承的質量和安全性。對于鉚頭所受軸向力，一般情況下應盡可能的小，以免鉚頭變形和磨損。

不同鉚頭傾角下得到鉚頭所受軸向力及內圈所受卡緊力曲線如圖7所示。

圖7 不同鉚頭傾角下鉚頭所受軸向力及內圈所受卡緊力Fig.7 Rivet head axial force and inner ring clamping force under different angle of the rivet head

由圖7可知，鉚頭傾角越小，鉚合初始階段鉚頭受軸向力越大，這是因為鉚頭傾角越小，鉚頭開始接觸工件時，接觸面積越大，變形越大，受到的軸向力越大；鉚合時鉚頭所受到的最大軸向力，即精整階段受到的軸向力則隨著鉚頭傾角的增大而逐漸減小。鉚頭傾角對內圈卡緊力的影響規律與對鉚頭軸向力的影響規律基本一致，隨著鉚頭傾角的增加，內圈所受卡緊力逐漸減小。隨著鉚頭傾角的增大，鉚接應力隨之減小，但是鉚頭所受的軸向力和內圈所受卡緊力平穩性較差，特別是在精鉚合階段容易產生磨損和裂紋等缺陷。反之，鉚頭傾角越小，芯軸所受的應力越小，軸鉚合過程越穩定，有利于提高輪轂軸承的質量和安全性。5°鉚合傾角下鉚頭所受的軸向力和芯軸所受的卡緊力較平穩，其他角度情況下，鉚頭所受軸向力和芯軸所受卡緊力波動更明顯。

4 試驗驗證

為了驗證仿真的可行性，應用工廠實際加工中產生的數據與有限元仿真結果進行對比。由于內圈所受卡緊力在實際生產中很難測得，所以試驗以5°鉚頭傾角測試鉚頭所受軸向力。

采用自動化旋鉚機（圖8）（加工參數可以根據產品需要進行調節）進行輪轂軸承單元軸鉚合工藝試驗，試驗數據經過轉化處理，得出生產實際中鉚頭所受軸向力如圖9所示。由圖可知，實際生產中鉚頭所受軸向力和圖7中鉚頭所受軸向力曲線基本一致，表明了有限元仿真的可行性。

圖8 旋鉚機Fig.8 Riveting machine

5 結束語

采用DEFORM-3D軟件對汽車輪轂軸承單元軸鉚合過程進行了模擬，得到了輪轂單元軸鉚合過程的應力分布。綜合應力、鉚頭所受軸向力及內圈卡緊力的影響規律，根據仿真產品型號要求，認為鉚合傾角為5°時，芯軸所受應力較小，軸鉚合過程中鉚頭所受軸向力和內圈所受卡緊力較穩定，不容易產生裂紋等缺陷。因此，在生產其他產品時，可以改變鉚頭傾角來提高軸鉚合工藝的可靠性。