輪轂軸承外圈凸緣安裝面凹度設計

崔海峰，童慧，馬洪啟

(泛亞汽車技術中心有限公司，上海 200120)

1 概述

汽車輪轂軸承在車輛行駛過程中主要起引導車輪轉動和支承車身的作用，隨汽車行業排放標準的日趨嚴格，對緊湊化、輕量化和免維護的輪轂軸承需求日益增加。第三代輪轂軸承特殊的內外側雙凸緣設計使其可以直接通過緊固件與轉向節和剎車盤連接，結構更加緊湊，免去了復雜的壓裝工序，維護方便，應用越來越廣泛[1]。

某第三代輪轂軸承(圖1)在使用中產生異常噪聲，拆解發現軸承外溝道出現剝落(圖2)，現對其故障原因進行分析，并進行相應的改進設計。故障軸承主要結構參數為：外圈凸緣外徑140 mm，凸緣螺栓孔中心圓直徑105 mm，單列球數13，內圈和芯軸溝道直徑7.45 mm，外圈溝道直徑7.56 mm，鋼球溝間距19 mm。

圖1 第三代輪轂軸承結構圖Fig.1 Structure diagram of third-generation hub bearing

圖2 外溝道剝落圖Fig.2 Spalling diagram of outer groove

2 改進設計

輪轂軸承安裝示意圖如圖3所示，外側與剎車盤連接，內側通過螺栓緊固在轉向節上。當受到螺栓夾緊力時，靠近外圈凸緣的密封圈安裝面和溝道會發生變形，引起應力集中，從而導致溝道剝落，使軸承異常振動，產生噪聲[2-5]。外圈凸緣密封圈安裝面變形也會使密封圈和安裝面配合變差，影響軸承密封，外界污染物和水的侵入也會引起噪聲。

1—制動盤；2—軸承；3—轉向節；4—緊固螺栓圖3 輪轂軸承安裝示意圖Fig.3 Installation diagram of hub bearing

通過分析可對軸承外圈凸緣進行凹度設計，如圖4所示，螺栓緊固使外圈凸緣與轉向節安裝面貼合，使凹度減小或消失。本文基于有限元軟件MSC.MARC分析受夾緊力時外圈凸緣、螺栓和轉向節的變形，以確定最佳外圈凸緣安裝面凹度。

圖4 軸承外圈凸緣安裝面凹度示意圖Fig.4 Diagram of concavity of mounting surface of bearing outer ring flange

3 有限元分析

3.1 有限元模型

輪轂軸承內圈和球對研究無顯著影響，建模時可忽略。通過商用軟件CATIA 建立軸承外圈、螺栓和轉向節三維模型(圖5)，并用MSC.MARC對其進行網格劃分(圖6)。球與溝道之間的接觸應力較大，通常對溝道進行感應加熱處理來提高局部硬度，因此將溝道分成溝道表面A區(硬化區域)和溝道表面以下B區(非硬化區域)。采用四面體網格劃分，網格劃分后節點數為103 000，網格數為255 000。網格單元每個節點都具有3個方向的平移自由度。在車輛實際運行時，轉向節通過螺栓連接在車身上，建模時將螺栓作為固定邊界(圖6a)，外圈通過3個螺栓連接在轉向節上，螺栓擰緊力矩為180 N·m(圖6b)。

圖5 軸承外圈、螺栓和轉向節三維模型Fig.5 3D model of bearing outer ring, bolts and steering knuckle

圖6 軸承外圈、螺栓、轉向節網格劃分和邊界條件Fig.6 Meshing and boundary conditions of bearing outer ring, bolts, steering knuckle

3.2 結果分析

分析凹度分別為0，10，20，30，40，50 μm時外圈溝道和密封圈安裝面的變形，選取對軸承性能影響較大的4個位置(圖7)進行分析：P1為外側密封圈安裝后接觸面中心位置，P2為外側溝道與鋼球的接觸位置，P3為內側溝道與鋼球的接觸位置，P4為內側密封圈安裝后接觸面中心位置。

圖7 變形量關注點Fig.7 Deformation concerns

不同凹度下P1，P2，P3，P4位置的變形如圖8所示：1)P1，P2位置變形類似，呈正三角形，P3近似呈圓形，P4呈倒三角形。這是由于P1，P2位于凸緣外側，P4位于凸緣內側，P4與P1，P2變形相反，而P3位于凸緣正下方，該位置壁較厚，變形量較小。2)當凹度為0 μm時，4個位置變形均為最大，當凹度由0逐漸增加到50 μm時，4個位置形狀逐漸趨于圓形，變形較小，說明凹度對改善外圈安裝變形具有重要作用。

圖8 不同凹度下P1,P2,P3,P4位置的變形Fig.8 Deformation of P1,P2,P3,P4 position under different concavities

定義圓度值為截面形狀的最大外切圓半徑和最小內切圓半徑之差，用來量化分析凹度對P1，P2，P3，P4位置變形的影響，圓度值隨凹度的變化如圖9所示：1)P1,P2位置凹度為0～30 μm時，圓度值逐漸減少，凹度為30～50 μm時，圓度值趨于穩定。2)P3位置由于壁較厚，圓度值幾乎不變。3)P4位置圓度值隨凹度增大而減小。綜上，該軸承外圈凸緣安裝面最佳凹度為30～50 μm。

圖9 P1,P2,P3,P4位置圓度值隨凹度的變化曲線Fig.9 Change curve of roundness value at P1,P2,P3,P4 position with concavity

4 試驗驗證

為驗證上述分析的可靠性，選取實測凹度分別為27.9，36.1，42.6 μm的3套軸承，通過螺栓緊固到轉向節上，測量圓度值變化，結果如圖9所示，與有限元分析結果的變化趨勢一致，說明了上述分析的正確性。改進軸承裝車后，未出現異常噪聲問題。

5 結束語

針對某輪轂軸承運行過程中出現噪聲的問題，分析其主要原因為受螺栓夾緊力時靠近外圈凸緣密封圈安裝面及溝道產生變形，造成密封性能變差和溝道剝落，使軸承失效。提出在外圈凸緣安裝面進行凹度設計，并基于MSC.MARC建立有限元模型分析不同凹度下外圈密封圈安裝面和溝道的變形，得到該軸承外圈凸緣安裝面最佳凹度為30～50 μm。但研究中未分析凹度對軸承振動的影響，后續有待進一步研究。