基于ROMAXDESIGNER的第3代輪轂軸承單元壽命計算分析

謝長衛，李建輝，張林

(哈爾濱軸承集團公司，哈爾濱 150001)

隨著越來越多高性能轎車的開發，第3代輪轂軸承單元的應用越來越廣泛，輪轂軸承作為汽車輪轂模塊中重要的承載與轉動部件，與汽車的懸架系統、制動系統以及傳動系統緊密聯系，因此,其壽命和性能直接影響整車的壽命、安全性和舒適度，有必要對該類軸承的壽命計算進行分析。

1 軸承壽命計算方法

1.1 軸承壽命理論

ROMAXDESIGIENER 包含有多種軸承壽命計算方法，在仿真計算過程中分別采用了基于ISO 281：2007《Rolling bearings--Dynamic load ratings and rating life》，ISO/TS 16281:2008《 Rolling bearings--Methods for calculating the modified reference rating life for univerasally load bearing》計算標準原理。ISO 281：2007基于L-P壽命理論，并考慮軸承的特性和用途，增加可靠性修正系數與壽命修正系數進行軸承壽命計算，是軸承最基本的壽命計算方法。ISO/TS 16281:2008在ISO 281：2007的基礎上，除考慮軸向載荷與徑向載荷外，還考慮了軸承的預緊力、剛性、高速效應、微觀幾何、應力分布、潤滑油特性等因素對壽命的影響。

1.2 軸承壽命疲勞累積方法

采用Miner法則進行軸承疲勞損傷累積計算。Miner法則假定每個零件疲勞壽命有限，每個應力循環(載荷譜中每個工況)都會使壽命減少一部分。當載荷累積損傷的總和等于100%時發生失效[1]。

2 仿真模型的建立

第3代輪轂軸承結構如圖1所示。文中所設計輪轂軸承單元應用車型為兩廂轎車，驅動方式為前輪驅動，前軸滿載軸荷9 318 N，每個輪胎承受滿載軸荷的1/2,輪距為1 560 mm，滿載質心高度為630 mm,輪胎半徑為346.5 mm,偏心距為37 mm,前輪制動盤安裝厚度為7.4 mm。根據車型參數，所選輪轂軸承單元的相關參數見表1。

1—螺栓；2—內凸緣；3—內密封；4—外凸緣；5—鋼球；6—磁性編碼圈+外密封；7—內圈；8—保持架

表1 輪轂軸承單元相關參數

由于輪轂軸承中左、右列鋼球溝心距較大，故對軸承左、右列鋼球單獨建立軸承模型進行分析，最后根據L10壽命計算原理對整體輪轂軸承進行計算。第3代輪轂軸承仿真模型如圖2所示，建模過程如下：

1)外凸緣固定，定義為剛性連接。

2)內凸緣左端施加輸入功率載荷，凸緣與輪轂連接處施加輸出功率載荷。

3)輪轂軸承仿真計算時，設定2列軸承同時施加預緊的游隙值，游隙值均為-7.5 μm,整體輪轂軸承的游隙值為-15 μm。

4)輪轂軸承對應輪胎載荷中心線處施加循環載荷譜,按載荷譜計算出試驗壽命要求大于200 h。設置轉速為1 225.5 r/min;考慮安全裕量，將試驗的徑向載荷設置為每個輪胎承受滿載軸荷的1.2倍;向內的軸向載荷為60%的徑向載荷，向外的軸向載荷為40%的徑向載荷。根據試驗要求及汽車參數計算的循環載荷譜見表2。

表2 循環載荷譜

圖2 第3代輪轂軸承仿真模型

3 疲勞壽命分析

3.1 壽命計算

仿真計算結果用壽命和損傷百分比描述，損傷百分比為循環載荷譜周期與理論計算壽命的百分比。經仿真計算，左、右列軸承的壽命及損傷百分比如圖3所示， 由圖可知，在循環載荷譜下， 2列軸承損傷都很低，且壽命均超過200 h。但2列鋼球分別建立軸承模型進行計算時未考慮其相互作用的影響，用L10壽命理論計算其整體壽命，即

(1)

式中:L10為整體軸承壽命；L1為左列軸承壽命;L2為右列軸承壽命。

圖3 軸承仿真壽命及損傷百分比

圖3中2種理論下的左、右列軸承壽命分別代入(1)式，計算得到的整體軸承壽命分別為384.90 ,376.88 h，壽命均大于200 h。經長期實踐，計算結果與真實試驗壽命基本吻合。

3.2 特定工況分析

左、右列軸承在載荷譜中各個工況下的損傷程度如圖4所示。由圖可知，在工況3下，左列軸承損傷最大;在工況1下，右列軸承損傷最大。

圖4 軸承損傷程度

利用ROMAXDESIGNER對左、右列鋼球在損傷較大工況下的接觸載荷及接觸應力進行仿真分析,結果分別如圖5、圖6所示(圖中每個點代表一個鋼球,且內、外溝道載荷與應力分布點重合)。由圖5可知，左列鋼球所受最大接觸載荷為4 253.7 N,最大接觸應力為3 188.61 MPa。由圖6可知，右列鋼球所受最大接觸載荷為6 694 N, 最大接觸應力為3 766.9 MPa。

圖5 左列軸承載荷與應力分布

圖6 右列軸承載荷與應力分布

通過對2列鋼球在損傷最大工況下的仿真分析，可以得到鋼球接觸載荷和接觸應力分布。輪轂軸承最大接觸應力要求不大于4 200 MPa，根據仿真計算的鋼球最大接觸應力可驗證軸承設計的合理性。

3.3 預緊對軸承壽命的影響

通過預緊可提高軸承壽命，增加軸承剛度[2-3]，使旋轉部件在軸向和徑向得到正確定位，提高旋轉精度，有效減少振動和噪聲[4]。但預緊過大會造成軸承溫升較快，從而降低壽命。通過仿真分析可以得到預緊與左、右列軸承壽命的關系如圖7所示，計算過程中左、右兩軸承按各占50%分配軸向游隙，正值代表負游隙。再通過仿真分析可知，左、右兩列軸承總軸向游隙為-25～-15 μm時，壽命最佳。

圖7 預緊與軸承壽命關系

4 結束語

基于ROMAXDESIGNER對軸承壽命進行計算分析，得出可用L10壽命計算整體軸承壽命，并通過仿真分析得出載荷分布情況、最佳軸向游隙，從而為第3代輪轂軸承后續優化設計提供了參考。