前橋軸承及輪轂協(xié)同壽命提升的分析與改進(jìn)研究

林軍濤，劉娟，李孟良，王桂峰，孔德利

（262200 山東省 濰坊市 諸城市義和車橋有限公司）

0 引言

輪轂軸承作為承重和為輪轂高速轉(zhuǎn)動提供精確引導(dǎo)的關(guān)鍵零部件[1]，其運(yùn)行情況直接影響整橋乃至整車性能，只有選擇合適的軸承才能滿足使用要求。在為主機(jī)廠開發(fā)新平臺前橋產(chǎn)品時，針對整車廠要求的軸承型號，運(yùn)用軸承壽命理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在承受額定載荷時，內(nèi)、外軸承壽命均較低。分析其他橋廠軸承故障模式，得到該類型前橋輪轂軸承故障率較高，集中于燒蝕問題，如圖1 所示。

圖1 軸承燒蝕圖片F(xiàn)ig.1 Picture of bearing ablation

本文以提升前橋輪轂軸承壽命為研究目的，通過優(yōu)化輪轂軸承型號、受力位置，對比側(cè)滑工況下輪轂軸承壽命理論分析，結(jié)合ANSYS Workbench有限元分析軟件對前輪轂進(jìn)行同步優(yōu)化，達(dá)到零部件協(xié)同壽命提升的目的，實(shí)現(xiàn)前橋產(chǎn)品高質(zhì)量開發(fā)。

1 商用車前橋輪端結(jié)構(gòu)型式

目前，國內(nèi)商用車車橋輪端普遍采用非對稱式單列圓錐滾子軸承，即內(nèi)、外軸承規(guī)格不同，為綜合考量軸承壽命，大部分橋廠均采用“內(nèi)大外小”軸承布置模式，結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 結(jié)構(gòu)型式Fig.2 Structural type

輪轂內(nèi)、外軸承采用背靠背方式壓裝在前輪轂上，通過鎖緊螺母、墊片與轉(zhuǎn)向節(jié)剛性連接，依靠輪轂螺栓、螺母使前輪轂、制動鼓、輪輞形成一個剛性連接體，再與輪胎有效配合，實(shí)現(xiàn)前輪轂承重以及繞轉(zhuǎn)向節(jié)軸旋轉(zhuǎn)；剎車制動時，制動器與制動鼓產(chǎn)生的制動力矩使行車速度降低。

2 輪轂軸承壽命分析

影響輪轂軸承壽命的因素有很多，可歸納為2個方面：一是系統(tǒng)外影響因素，如路況、駕駛操作等；二是系統(tǒng)內(nèi)影響因素，如載荷分布和輪轂軸承的具體布置等[2]。目前對車橋零部件主要分析沖擊、制動、側(cè)滑3 種工況。側(cè)滑工況最為惡劣，側(cè)滑工況下前橋受力情況如圖3 所示，當(dāng)汽車向右側(cè)滑時，前橋承受地面的支承反力ZL、ZR和側(cè)滑反力YL、YR，整橋的載重G 和側(cè)滑力Gφ。

圖3 前橋受力情況Fig.3 Force on front axle

2.1 車輪的支承反力

平衡方程為

車輪的地面?zhèn)然戳?/p>

式中：G——汽車滿載靜止于水平路面時前橋給地面的載荷，N；hg——汽車滿載時的質(zhì)心高度，m；φ——輪胎與地面間的側(cè)向附著系數(shù)，一般取0.7；B——車輪的輪距，m。

因?yàn)槠囐|(zhì)心高度需要根據(jù)使用情況隨時變化，難以選取準(zhǔn)確、合理的數(shù)值，計(jì)算時可取汽車向右側(cè)傾翻的極限情況，此時左側(cè)車輪受力為0，可得[3]：

2.2 輪轂軸承的徑向支承力

側(cè)滑時內(nèi)、外輪轂軸承對輪轂的徑向支承力可根據(jù)車輪的受力平衡求出[4]，受力分析如圖4 所示。

圖4 輪轂軸承受力Fig.4 Force on hub bearing

圖4 中：r——輪胎滾動半徑；L1——輪輞偏距；L2——輪轂軸承孔間距；L3——輪轂大端面到內(nèi)軸承端面距離；S1R——內(nèi)軸承徑向力；F1R——內(nèi)軸承軸向力；S2R——外軸承徑向力；F2R——外軸承軸向力；Fa——軸向力；a——S1R至車輪中心線的距離；b——S2R至車輪中心線的距離。

依據(jù)力和力矩的平衡方程

求得內(nèi)、外軸承的支承力為

由于圓錐滾子軸承接觸角的存在，導(dǎo)致軸承派生出軸向力

式中：Y——軸向動載荷系數(shù)。

對成對安裝的角接觸軸承軸向載荷

2.3 輪轂軸承的徑向當(dāng)量動載荷

對圓錐滾子軸承徑向當(dāng)量靜載荷

2.4 軸承壽命計(jì)算

軸承壽命計(jì)算公式為

式中：L10——軸承壽命，km；D——輪胎直徑，mm；C——額定動載荷，kN；ε——滾子軸承壽命指數(shù)，ε=10/3。

通過優(yōu)化輪轂軸承型號、更改輪轂軸承間距，對比分析改進(jìn)前、后輪轂軸承壽命，具體結(jié)果見表1—表3 所示。

表1 軸承參數(shù)對比Tab.1 Comparison of bearing parameters

表2 優(yōu)化參數(shù)對比Tab.2 Comparison of optimized parameters

表3 軸承壽命對比Tab.3 Comparison of bearing life

3 前輪轂優(yōu)化

為保證前橋現(xiàn)有接口尺寸不變，在輪轂軸承采用加寬型號后，需將輪轂軸承孔間距L2、輪轂大端面到內(nèi)軸承端面距離L3相應(yīng)減小（如圖5 所示），運(yùn)用ANSYS Workbench 分析輪轂軸承壽命大幅提升條件下，前輪轂應(yīng)力是否滿足材料性能要求。

圖5 前輪轂優(yōu)化Fig.5 Front hub optimization

將三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench 靜力分析模塊Static Structural，設(shè)置QT500-7 材料特性，密度7 000 kg/m3，彈性模量162 GPa，泊松比0.293。同樣在極限側(cè)滑工況下模擬前輪轂受力[5-6]，以輪輞安裝端面建立局部直角坐標(biāo)系，通過輪胎螺栓安裝孔進(jìn)行遠(yuǎn)程加力（同車輪受力，ZR=G，YR=Gφ）,受力情況如圖6 所示。

圖6 受力情況Fig.6 Force condition

計(jì)算分析結(jié)果如圖7 所示。通過受力分析對比，兩者應(yīng)力趨勢一致，輪胎螺栓安裝孔附近為最大應(yīng)力點(diǎn)，分別為515.6 MPa、332.2 MPa，優(yōu)化后應(yīng)力明顯降低，降幅達(dá)35.6%。

圖7 應(yīng)力情況Fig.7 Stress condition

4 結(jié)論

本文對前橋輪轂軸承壽命進(jìn)行了理論分析和改進(jìn)研究，主要結(jié)論：（1）改變輪轂軸承型號、優(yōu)化軸承受力位置、加大額定動載荷C 與當(dāng)量動載荷P的比值，理論計(jì)算壽命提升1 倍以上，在滿足裝配工藝、保證軸承游隙的條件下，可有效降低輪轂軸承燒蝕故障；（2）前輪轂相應(yīng)更改軸承孔位置，受力位置的改變使最大應(yīng)力降低30%以上，延長了前輪轂使用壽命。（3）通過協(xié)同分析、改進(jìn)，以期提升產(chǎn)品整體質(zhì)量水平，降低主機(jī)廠售后索賠費(fèi)用。