輪轂軸承徑向迷宮密封齒型角的數值研究

雷賢卿，牛屾，郭長建

（1.河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471003；2.人本集團 技術中心，上海 201411）

輪轂軸承是汽車重要的零部件，其主要作用是承載，精確引導輪轂的轉動。輪轂軸承的密封性差會導致其內部潤滑脂的泄漏和外部泥沙、水汽、灰塵等污染物的侵入，不僅影響軸承的使用壽命，甚至會造成嚴重的交通事故。因此，對輪轂軸承的密封性有非常嚴格的要求。

為改善輪轂軸承的密封性，國內外一些專家學者進行了相關研究。文獻［1］對輪轂軸承的密封唇采用了大U形結構和主副密封唇結構；文獻［2］設計了軸向和徑向雙唇口互補接觸式密封；文獻［3］為雙列汽車輪轂軸承開發了低摩擦整體式密封。雖然這些研究在一定程度上提高了軸承的密封效果，但大多是生產廠家靠經驗或者對某一軸承在某一工況下的多唇接觸式密封結構的改進，沒有分析軸承漏脂的根本原因，而且參數確定的理論依據也不夠充分。

1 輪轂軸承迷宮密封簡化模型

密封軸承漏脂的根本原因是軸承運轉引起的內部潤滑脂的重新分布以及內部空氣的溫升［4］，高溫導致了氣壓增加，推動密封唇向外擴張，使得潤滑脂被擠出，造成了漏脂現象。因此，僅僅依靠改進多唇接觸式密封結構并不能從根本上解決輪轂軸承單元的漏脂問題，需要選用能夠轉化、衰減內部氣壓聚集的密封結構。

迷宮密封具有摩擦小、壽命長的優點，適用于中高速場合。氣流在迷宮密封中通過節流齒隙的節流作用和迷宮空腔的能量耗散達到密封的效果［5］。由于輪轂軸承的軸向尺寸緊湊、徑向尺寸較大，因此，徑向迷宮密封結構比較適合汽車輪轂軸承。由于該結構本身具有的功能優勢，可將其作為研究新型低摩擦力矩密封結構的一個方向［6］。

迷宮密封齒型角是影響迷宮密封結構的重要參數，增大齒型角可以增加密封齒根部的寬度，有利于提高密封圈的強度，但對迷宮密封的性能也會產生很大的影響。目前，對輪轂軸承徑向迷宮密封結構最佳齒型角的研究較少。下文以某汽車輪轂軸承單元徑向直通式迷宮密封結構為研究對象，應用ANSYSFLUENT軟件平臺，結合計算流體力學相關理論，研究不同壓比下齒型角對泄漏量的影響規律。迷宮密封結構如圖1所示，圖中θ為齒型角。

圖1 輪轂軸承徑向直通式迷宮密封結構

2 流體計算模型和收斂標準

流體在迷宮密封內的流動過程可以認為是二維穩態標準湍流流動［7］。流體在迷宮密封中的流動采用Reynolds平均Navier-Stokes方程和k-ε湍流模型來描述，其中包括連續性方程、能量方程、湍動能方程、動量方程和耗散率方程［8］。使用散度符號可得方程的通用形式

式中：ρ為流體密度；t為時間；?為通用變量；u為流體速度矢量；Γ為廣義擴散系數；S為廣義源項。

對（1）式的離散采用有限體積法，為保證計算精度，連續性方程、能量方程和動量方程的離散采用二階迎風格式，湍動能方程和耗散率方程采用一階迎風格式，壓力插值格式采用標準插值。當連續性方程、速度、湍動能及湍動能耗散率的殘差都小于1×10-4，能量方程的殘差小于1×10-6，進出口流量相差小于0.1%時，可認為計算收斂［9］。

3 邊界條件

采用ANSYSFLUENT軟件對迷宮密封二維流場進行仿真計算，邊界條件設置為：迷宮密封左端采用壓力入口，模擬工作總壓分別為0.15，0.21，0.27和0.35 MPa，氣流方向垂直于入口邊界；右端出口壓力為大氣壓，其值為0.1 MPa。軸承模擬內圈工作轉速為3 000 r／min，其中芯軸即為迷宮密封模型的旋轉軸。軸承內外圈相對運動采用移動參考系模型（MRF）模擬，并將參考坐標系設置在流場區域，邊界壁面均采用無滑移無滲透的固體壁面。求解器采用SIMPLE算法。工作介質采用理想氣體。計算收斂后，用測得迷宮密封壓力出口的質量流速來表示理想氣體的仿真泄漏量。仿真泄漏量越小說明輪轂軸承內部聚集的氣壓勢能在迷宮密封內轉化、衰減得越充分，密封性能就越好。

4 數值計算與仿真

4.1 幾何模型

該輪轂軸承單元徑向迷宮密封流場的幾何模型如圖2所示，幾何參數：總長L＝7.8 mm；密封齒高H＝2.5 mm；齒寬M＝2.4 mm；腔室頂端寬度W＝3 mm；間隙寬C＝0.2 mm。齒型角θ為變量，分別取90°，94.5°，99°，103.5°和108°。

圖2 輪轂軸承徑向迷宮密封流場的幾何模型

4.2 網格劃分

采用ANSYS ICEM CFD前處理軟件導入幾何模型并生成的二維四邊形結構化網格如圖3所示。為了保證計算精度，最大網格尺寸為0.01 mm，并對流動比較復雜的近壁面處進行網格加密處理［10］。

圖3 二維結構化網格劃分

4.3 仿真結果

泄漏量隨齒型角的變化規律如圖4所示。由圖可知，4種壓比下泄漏量的變化規律基本一致。在所設定的結構尺寸下，隨著齒型角的增加，空腔形狀由矩形變為等腰梯形，空腔容積逐漸減小，泄漏量呈現出先減小后增大的變化規律。當壓比增大時，最佳齒型角（泄漏量最小值對應的齒型角）有所減小。因此，當其他結構尺寸一定時，存在最佳齒型角使得軸承徑向迷宮的密封效果最好。

圖4 不同壓比下泄漏量隨齒型角的變化規律

4.4 密封機理分析

在2.1倍壓比下，齒型角為99°時軸承迷宮密封流場的仿真壓力和速度分布云圖如圖5所示。

圖5 齒型角為99°的密封流場在2.1倍壓比下壓力和速度分布云圖

由圖5可知，在壓差推動下，氣流從左端入口高壓側向右端出口低壓側流動。當氣流進入密封間隙時，由于流道變窄，流速增高，壓力降低，即壓力勢能轉化為動能；當氣流進入空腔時，由于流動截面面積突然增大，從間隙出來形成高速射流的氣體，和空腔內部低速湍流的氣體之間不斷發生摩擦和摻混，產生了劇烈的繞流漩渦，使得氣體大部分動能轉化為熱能，從而達到迷宮密封的效果。

在2.1倍壓比下，齒型角分別為90°，94.5°，103.5°和108°時軸承迷宮密封流場的速度分布如圖6所示。

對比圖5和圖6可知，氣流經密封間隙流出后，形成強烈的射流沖擊到密封空腔中，并且呈一定角度擴散，與壁面和周圍介質發生摩擦和摻混，形成一個主渦。當齒型角為90°時，主渦在空腔中部偏左的位置，空腔右下方大部分氣流速度較低，幾乎靜止。隨著齒型角的增大，不僅主渦的位置逐漸右移，而且空腔左右下角原先大量靜止的氣體也開始運動。當齒型角為99°時，主渦在空腔中部，空腔左右下角原先幾乎靜止的氣體不斷與主渦周圍形成的氣流發生摩擦和摻混，并形成了幾個小渦，空腔內氣體參與能量轉換較為充分，此時泄漏量較小。當齒型角繼續增大時，空腔容積繼續減小，主渦逐漸偏向壓力出口，空腔右側氣流速度逐漸增高，使大量氣體高速流出，導致泄漏量又增大。

圖6 不同齒型角下密封流場的速度分布云圖

5 結束語

齒型角的變化對輪轂軸承徑向迷宮密封的泄漏量有一定影響，當其他結構尺寸一定，在同一壓比下，隨著齒型角的增大，迷宮密封的泄漏量先減小后增大。當壓比增大時，最佳齒型角減小。對輪轂軸承徑向迷宮密封而言，存在最佳齒型角使其泄漏量最小。