基于有限元法對輪轂軸承故障的分析研究

摘要：市場上陸續出現礦用車輛故障，拆檢發現幾乎90%的故障均源于輪轂碎裂，且出現了軸承“走外圈”、輪轂外軸承限位處異磨狀況，初步判斷其因輪轂軸承走外圈致使輪轂異磨、輪轂軸承限位處剛度不足引起，通過有限元法分析模擬了兩種主要工況下的狀態，證明了輪轂早期破壞正因此兩種因素導致。基于此分析結果，針對輪轂薄弱點結構優化，加強其限位處剛度，分析結果顯示輪轂外軸承處抗變形能力在兩種不同工況下分別提升20%與10%，優化效果明顯。此外提高輪轂軸承配合過盈量以減少軸承走外圈狀況的頻繁出現。新狀態輪轂經臺架試驗驗證，達到標準要求的疲勞能力未破壞且未發現明顯的軸承走外圈痕跡，說明通過有限元法分析薄弱點從而針對性加強的方法十分有效。

關鍵詞：輪轂碎裂；軸承走外圈；剛度不足；有限元法；臺架試驗

輪轂軸承作為汽車行駛系統中的重要部分，其對車輛安全性及舒適性至關重要。經過多年的發展，現輪轂軸承已歷經三代，第一代軸承與轉向節和輪轂相互獨立，安裝工藝很難精確控制，但因其成本較低出現故障易于更換的優點多被用于重型汽車與特種車輛上[1]。對于礦用車來說，其工作環境惡劣，常在路面不平整、重載超載、大坡度等工況下使用，因此大多數礦用車輛輪轂軸承均采用了易于更換、成本較低的一代滾子軸承。

當前市場上的一批礦車車輛陸續出現了輪轂軸承未達標定壽命即出現早期疲勞的問題，這對生產廠商及使用客戶造成很大的維修成本與售后壓力[2]。本文通過理論分析與有限元分析方法確定了本輪故障因軸承走外圈導致異磨、輪轂軸承限位處強度不足所致，根據分析結果對其進行了結構強度、配合關系優化設計，優化后的輪轂強度提升了20%，徑向變形量減少了10%以上；經過臺架試驗驗證確認優化后的狀態達到疲勞要求且未再出現嚴重的走外圈現象。

故障機理分析

1.車輛故障狀態

根據市場客戶反饋，搭載山東蓬翔汽車有限公司車橋產品的礦用車輛突然頻繁出現輪端故障，經過現場拆檢，發現此次輪端故障中的90%均表現為輪轂于外軸承限位的根部圓角處出現碎裂，且外軸承外皮出現明顯的轉動痕跡，狀態如圖1所示。

根據現場實物狀態初步判斷該故障模式為先出現了軸承走外圈，隨工作時間與大載荷工況的積累，輪轂軸承限位孔壁逐漸出現磨損，在強度薄弱處出現裂紋進而導致輪轂自軸承根部圓角處碎裂。

1.輪轂軸承故障狀態分析

（1）輪轂軸承故障理論分析 此系列故障車輛均采用了雙級減速橋形式[3]，其輪端結構形式如圖2所示。

該車輛正常行駛時發動機輸出轉矩至車橋主減速器上，通過半軸傳動經輪邊減速器再次降速增扭傳遞，通過緊固的車輪螺栓輪轂、輪輞、制動鼓等以相同狀態工作[3]，使輪胎可以在惡劣的道路環境與載重工況下勻速前行。在長時間重載工況下，軸承受力過大，存在出現“橢圓形”變形的狀況，限制軸承外圈運動的輪轂外軸承限位承載處隨其出現徑向膨脹變形，隨工作時間積累，在輪轂剛度薄弱區域的根部圓角處碎裂，導致軸承不再正常工作車輛出現故障。拆檢的實物均出現了輪轂自外軸承根部圓角處斷裂說明該問題切實存在。

此外，軸承工作時若軸承內圈與外圈的過盈量不足時，將無可避免地出現“走內圈”（即內圈轉動）與“走外圈”[4]（即外圈轉動）現象，該現象的頻繁出現將導致與內外圈配合的軸/孔表面快速磨損，當磨損量累積到一定程度時，軸承配合關系由過盈轉變為過渡甚至間隙配合，自此軸承開始出現振動沖擊現象，導致輪轂受力陡然提升，達到其屈服強度繼而破壞故障。拆檢出的軸承外圈上存在明顯的轉動痕跡也證明了該問題的實際存在。

（2）基于有限元對輪轂軸承故障分析 構建分析用三維模型如圖2所示，根據分析經驗輪輞的中心位置對輪轂受力影響較大，需根據實際結構狀態還原三維模型，分析模型如圖3所示。

分析的邊界條件分別設定如下。

1）沖擊工況：汽車正常直行狀態，輪端施加3倍正向壓力。該狀態下輪端簡化為僅受地面的反作用力，故在輪胎接地點施加1個垂直向上的正壓力，雙輪輞施加3倍的正壓力（礦車重載，設定單輪輞1.5倍正壓力）。

2）側滑工況：汽車轉彎或轉向前行，施加2倍正向壓力與1.1倍側向力（軸向向橋中心）。該狀態下汽車轉向時，存在轉彎半徑，其輪端受力區別于正常直行[4]，如圖4所示。在該狀態下，圖示右側輪胎除所受正向壓力外其也受離心力的影響而存在軸向向左的位移運動趨勢，鑒于礦車的惡劣工況環境將此工作狀態設定為2倍正向壓力+1.1倍側向力共同作用。

分析時模型經Hypermesh前處理，給予模型四面體網格及網格精度，輪轂材料QT450-10；分別按照沖擊和側滑兩種工況依次加載分析，得到輪轂分析結果。

1）沖擊工況分析結果如圖5所示。結果顯示，此工況下輪轂最大應力出現在螺栓聯接孔處，這與輪輞與輪轂通過螺栓聯接緊固相關。另外，法蘭連接圓角處應力較大，達到285MPa。此工況下外軸承根部圓角處應力僅為100MPa。輪轂內軸承（標號1）與外軸承（標號2）的徑向變形量（下稱變形量）分別達到0.075mm和0.0829mm。

2）側滑工況分析結果如圖6所示。結果顯示，此狀態下輪轂除螺栓孔外最大應力出現在法蘭面連接圓角處，達到224MPa；在該工況下的外軸承根部圓角處應力達到170MPa。輪轂內軸承（標號3）與外軸承（標號4）的變形量分別達到0.072mm和0.062mm。

根據有限元分析結果可知，沖擊工況（正常直行）下輪轂外軸承位最大分離量達到0.083mm，而現輪轂外軸承孔徑260R7-0.074 -0.126mm，匹配外軸承30324外徑260-0 -0.035mm，兩者配合過盈量范圍0.039～0.126mm（實際生產時多控制在0.06～0.08mm左右），極易因分離量而導致外圈松動頻繁出現走外圈狀況進而導致輪轂軸承限位處異磨，從而引發早期疲勞斷裂。

此外，根據應力云圖顯示改輪轂在側滑工況下于外軸承根部圓角處應力相對集中，最大應力達170MPa，在大載荷工況下隨時間積累極易出現疲勞累積損傷，說明需對輪轂外軸承限位處厚度進行強度優化，增強該處抗變形能力。

輪轂強度優化設計

1.基于有限元法對輪轂的優化設計

根據前文分析結果可知，輪轂外軸承支撐限位處屬疲勞薄弱區域，需加強強度，在原輪轂結構基礎上進行優化設計。優化前后結構如圖7所示，將輪轂外軸承位原加強筋結構改為實體大大增加其限位處壁厚；根據優化后結構建立模型導入分析，施加同樣的邊界條件——沖擊工況和側滑工況于相同位置，分別進行有限元分析。

1）沖擊工況下的分析結果如圖8所示。分析結果顯示，除螺栓孔連接處外的最大應力依然出現在法蘭連接圓角處，應力達到186MPa，外軸承位根部圓角處應力僅有60MPa。且在此工況下的內/外軸承位（標號5和6）的位移分離量為0.063mm和0.063mm，同工況下較優化前的抗變形能力提升20%左右，優化效果明顯。

2）側滑工況下的分析結果如圖9所示，在此工況下輪轂最大應力出現在法蘭連接圓角處，最大應力為210MPa，外軸承根部圓角處最大應力降低至119MPa，優化后結構狀態在側滑工況下的受力表現十分明顯。在此工況下的輪轂內/外軸承位（標號7和8）位移分離量分別為0.063mm和0.045mm，同工況下抗變形能力提升10%以上。

根據以上優化后的分析結果，說明優化后的輪轂強度性能、外軸承限位處抗位移變形能力明顯優于原狀態。另外，鑒于現有輪轂與輪轂軸承配合關系在沖擊工況下的潛在隱患，現將輪轂內外軸承位孔徑公差均調整至S7級別，配合過盈量由0.039～0.126mm增加至0.123～0.210mm（生產時多控制在0.15～0.20mm內），理論上此過盈量在沖擊工況下出現較大分離量時不會出現較頻繁的“走外圈”現象，從而減少異磨，大大降低輪轂早期損傷疲勞破壞狀況的出現。

2.新輪轂性能的臺架試驗驗證

為驗證新結構輪轂性能，生產了2件新狀態輪轂樣品與1件橋總工裝，按結構正常生產裝配后置于試驗臺架上，試驗臺如圖10所示。按照其標定的輸入運轉參數進行臺架試驗，按照QC/T 533[5]對于驅動橋齒輪彎曲疲勞壽命要求（不低于1×105次）作為此次試驗的通過標準。

經過測試，整橋經輪端輸出計10萬次時，臺架未出現異常狀況，繼續運行累積輸出至12萬次時，仍未出現異常，拆解輪轂觀測，兩側輪轂均未出現疲勞破損、輪轂軸承限位處異磨、軸承“走外圈”狀況，證明新狀態輪轂優化方向正確。此外投放一批新輪轂更換原有件在市場上驗證，歷時8個月，行駛里程超過5萬km均未出現輪端故障反饋，同樣說明優化效果顯著。

結語

針對市場上頻繁出現的輪轂疲勞碎裂故障進行了理論分析與有限元優化設計，得到以下結論：

1）此次輪轂碎裂故障主要因輪轂軸承限位處強度不足，隨工作時間累積在此處出現疲勞碎裂。并且在實際工作中輪轂軸承限位處存在徑向變形，導致軸承外皮松動，頻繁出現走外圈導致輪轂軸承限位處異磨，磨損量達到某一臨界值時出現碎裂。

2）根據有限元分析方法對輪轂進行了優化設計，優化后的輪轂強度提升了20%，位移分離量降低了10%。并且經過臺架試驗與市場驗證證明優化結果明顯，未再出現此類故障。

3）早期設計輪轂輪轂軸承時，輪轂結構、軸承配合關系多根據已有經驗進行設計給定，此次優化設計的成功為后續分析設計輪轂結構與軸承配合關系提供了分析依據。

參考文獻：

[1] 張景春，陳選楠，王維，等.商用車用輪轂軸承單元的應用與發展趨勢[J].軸承，2023（11）：1-6，15.

[2] 洪暾暉，許志.卡車輪轂軸承外圓跑動原因分析及解決方案[J].機械工程師，2011（10）：127-128.

[3] 劉惟信.汽車車橋設計[M].北京：清華大學出版社，2004.

[4] 陳長波，時曉軍，孔德利.載貨車前橋輪轂軸承走外圈故障的有限元仿真分析[J].農業裝備與車輛工程，2018，56（7）：98-101.

[5] 全國汽車標準化技術委員會.商用車驅動橋總成：QC/T533－2020[S].北京：北京科學技術出版社，2020.