柱管軸承在汽車電動轉向管柱中的校核

朱衛民

摘 要：柱管軸承是汽車電動轉向管柱中的一個重要部件。本文重點分析轉向管柱中各處尺寸及形位公差與柱管軸承載荷的關系，并校核在各載荷情況下柱管軸承的工作壽命，最終分析轉向管柱中各處尺寸及形位公差對柱管軸承壽命的影響。分析結果表明轉向管柱中各處尺寸及形位公差對柱管軸承壽命影響效果不同，設計中可以重點關注影響較大的形位公差。

關鍵詞：柱管軸承；轉向管柱；形位公差；載荷；壽命

現在部分汽車所使用的電動轉向管柱中，在靠近方向盤的一端，均有一個支撐軸承（以下均稱柱管軸承），該柱管軸承普遍采用普通深溝球軸承，要求在車輛轉向過程中，該柱管軸承應轉動平順，并且有足夠的工作壽命。

轉向管柱為細長的管軸結構，如下圖1，從轉向管柱底端的定位軸承到方向盤端的柱管軸承，有較多的零部件過渡連接。由于各零部件均有加工誤差，會導致在柱管軸承處的柱管與軸同軸度較差，即柱管軸承內外圈的配合面同軸度較差，柱管軸承為了校正該同軸度，需要承受一定的載荷，而該載荷直接影響了軸承的轉動平順性及工作壽命。

2 柱管軸承所承受的載荷

2.1軸總成、柱管總成彈性彎曲變形產生的載荷

管柱總成裝車狀態，受各部位形位公差影響，軸總成與柱管總成不能完全同軸，受各處軸承支撐作用，在各軸承位置，軸總成與柱管總成被約束至相同軸心，軸總成與柱管總成會出現不同程度的彎曲。在分析過程中，先假定殼體軸承6005剛性固定，再計算柱管軸承處軸總成和柱管總成彎曲變形量，可以計算出柱管軸承受的徑向載荷。該載荷在轉動方向盤過程中，會周期性變化。

通過有限元分析，軸總成在柱管軸承處的彎曲彈性系數為298.3N/mm；柱管總成在柱管軸承處的彎曲彈性系數為2241.1N/mm。通過計算，由于零部件彎曲變形而使柱管軸承承受的徑向載荷為378N。

2.2 軸承內外圈夾角（軸總成、柱管總成夾角）產生的側向彎曲載荷

載荷產生原因同上，在柱管軸承處，上柱管軸承孔與轉向軸軸承位不可能完全同軸，會有一定夾角，從而導致柱管軸承內外圈有一定夾角，軸承會受側向彎曲載荷。在方向盤轉動一周過程中，軸總成與柱管總成軸線偏移量會發生變化，從而柱管軸承內外圈夾角也會周期變化，該彎曲載荷會隨之周期性變化。通過計算，該載荷會在0N-10105N之間周期性變化。

2.3 方向盤總成自重產生的載荷

方向盤總成自重在柱管軸承徑向有一個分力，該載荷方向不變。該載荷為18.1N。

2.4 駕駛員轉動方向盤產生的徑向載荷

駕駛員在轉動方向盤時，會在方向盤切向產生一個驅動力，該力由柱管軸承承擔，假設該載荷方向不變。該載荷為105.3N。

通過綜合計算，柱管軸承承受的綜合載荷在轉動一周內變化情況如下圖2，其平均載荷為5076.7N。

3 軸承疲勞壽命校核

按柱管軸承壽命要求，該軸承工序轉動3.3×6×4.2=83.16萬轉。軸承校核壽命不小于該值即為滿足設計要求。

3.1 軸承額定動載荷

查相關手冊并計算，軸承基本額定動載荷C=6298.03N。

根據前述軸承載荷計算結果，軸承當量動載荷P=5583.1N。

該軸承額定疲勞壽命L==1.435（百萬轉）。

3.2 軸承工作間隙

該軸承在自由狀態下，其徑向間隙為0mm-0.01mm。

軸承安裝時，內外圈均過盈，故外圈收縮、內圈膨脹導致徑向游隙減少，外圈滾道直徑收縮量加內圈滾道膨脹量即為配合導致的徑向游隙減少量。通過計算，軸承間隙減少量ΔD最小為0.005mm，最大為0.043mm。

軸承在運轉過程中，內、外圈會出現溫差，會減少徑向游隙。通過計算，溫差導致的間隙減少量δt為0.002mm。

前述分析過程中，軸承內、外圈偏轉也會引起徑向游隙減少。通過計算，該減小量ΔDW最小為0.004mm，最大為0.012mm。

即軸承實際工作時最小間隙為-0.036mm，最大間隙為-0.022mm，軸承工作在負游隙狀態。

3.3 軸承承載疲勞壽命Lε

通過間隙與軸承承載率ε函數f（ε）關系計算，函數值最小為-2.418，最大為-1.313。對應Lε/L值查手冊，對應最小值為0.781，最大值為0.989。

即軸承實際疲勞最短壽命Lε=0.781×L=0.781×1.435=1.121（百萬轉），軸承實際疲勞最長壽命Lε=0.989×L=0.989×1.435=1.42（百萬轉）。

4 設計參數調整對軸承壽命的影響

各形位公差放寬50%后軸承壽命變化，見下表3。從表3可以看出，部分形位公差對軸承壽命影響較大，不能放寬，部分形位公差對軸承壽命影響較小，生產中可以考慮適當放寬。

5 結語

從載荷分析情況看，柱管軸承承受的側向彎曲載荷遠高于其它載荷，主要是因為普通深溝球軸承角間隙很小，基本沒有調心功能。現在國外已經開發出特殊結構的柱管軸承，采用沖壓外圈，滾子采用尼龍圈和鋼絲擋圈預緊，這種結構的軸承可以有較大的調心范圍，可以消除軸承的側向彎曲載荷，軸承具有更長的工作壽命

在該SUV用無刷EPS轉向管柱設計中，采用普通深溝球軸承的柱管軸承壽命能夠滿足要求。柱管軸承工作狀態內部游隙較小，后期可以考慮調整游隙等級。設計參數中的部分尺寸及形位公差對柱管軸承壽命影響較大，在生產條件允許的前提下，應盡量嚴格控制，其它影響較小的可以適當放寬。

參考文獻：

[1] 成大先 機械設計手冊（第五版），化學工業出版社，2008.1.

[2] NSK軸承綜合樣本 CAT.No.CH1103c.