基于SolidWorks的輪轂軸承法蘭盤外圈力矩剛性分析

余兵浩，趙坤，周慶慶

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基于SolidWorks的輪轂軸承法蘭盤外圈力矩剛性分析

余兵浩1，趙坤2，周慶慶1

（1.啟東錦橋軸承有限公司，江蘇 南通 226200；2.慈興集團有限公司 技術中心，浙江 寧波 315301）

基于有限元分析方法，利用SolidWorks的實體建模和有限元分析模擬功能，建立了第二代汽車輪轂軸承法蘭盤外圈的三維模型，而后進行網格劃分得到離散化的有限元分析模型。針對第二代汽車輪轂軸承的實際應用情況，參照VW-5載荷譜，對建立好的有限元分析模型施加VW-5載荷譜中的最嚴苛的第18步載荷步的工況，計算分析得出法蘭盤外圈的應力分布和軸向形變。結果表明，最大應力位于螺紋孔安裝面上，其值為694.22 MPa，大于規定的塑性延伸強度，但小于該材料的拉伸強度，說明法蘭盤外圈發生了不可恢復的塑性變形。軸向位移為0.357 mm，通過力矩剛性計算公式得出其力矩剛性為9.48′。

輪轂軸承；法蘭盤外圈；力矩剛性；SolidWorks；有限元分析

第二代汽車輪轂軸承單元是將和軸承配合的零部件（輪轂或轉向節）與軸承套圈集成一體的結構形式，第二代汽車輪轂軸承單元的外圈帶有法蘭盤，可以通過螺釘連接到底盤懸架上，或者安裝到鋼圈和剎車盤上。對比第一代，第二代的裝配零部件數更少、重量更輕，減少了汽車的燃料消耗，裝配更為方便[1]。

剛性是滾動軸承的重要性能指標。恩斯克、光洋等海外知名軸承制造商重點對汽車輪轂軸承的“力矩剛性”進行了分析。汽車輪轂軸承的力矩剛性顯著影響到汽車行駛的舒適性、轉向平穩性以及安全性，因此整車制造廠商對此要求十分嚴格[2]。

輪轂軸承的力矩剛性的另一種表述是輪轂法蘭盤相對于轉向節法蘭盤的傾斜角，主要由三大部分組成：輪轂軸承內部結構產生的傾斜角、輪轂主軸的傾斜角和法蘭盤外圈的傾斜角。由于結構模型較為復雜和計算負荷量大等原因，在實際分析時，常以單個零件為分析對象，計算得出力矩剛性的結果，然后將得到的所有結果進行疊加求和，得到整個系統的力矩剛性分析結果。所以，考慮到計算量的問題，本文暫僅針對法蘭盤外圈的力矩剛性進行分析。

1 有限元模型的建立

1.1模型的建立

根據圖紙創建法蘭盤外圈的實體模型，各部位倒角與圓角均按圖紙要求建立，綜合考慮到有限元模型的計算精度和計算規模，對螺紋孔的螺紋進行簡化處理，按通孔處理。

采用10節點的實體單元SOLID187對建立好的實體模型進行離散化，得到366918個單元、214842節點，有限元分析模型如圖1所示。

圖1 法蘭盤外圈有限元模型

材料屬性選擇彈性模量205 GPa、泊松比0.27。選取某車型作為研究對象，相關基本技術參數和材料物理及力學性能參數如表1所示。

表1 基本技術參數和材料物理及力學性能參數

1.2 約束分析與加載

輪轂軸承在汽車非直線行駛狀態時，外部徑向力的作用線對軸承的中心線往往會有一定偏移，特別是外部軸向力在離軸承旋轉軸線的距離為輪胎半徑的輪胎接地點作用于輪轂軸承時，會受到上述外部力形成的力矩作用[3-4]。

輪轂單元安裝過程中，通過螺栓將法蘭盤外圈與制動盤連接在一起。作用在輪胎上的載荷通過螺栓傳遞至法蘭盤外圈，再傳至鋼球與內圈。因研究分析為單個法蘭盤外圈，故對溝道進行全約束，以模擬鋼球及內圈對法蘭盤外圈的固定（忽略接觸）。分析過程中，模型的坐標原點位于兩溝道中心線的中點，在坐標為（-10.9, -347, 0）處（即輪胎與地面接觸點）建立一個MPC單元，將其與五個螺栓孔的圓柱面進行剛性連接。為模擬軸承在最嚴苛情況下的受力狀態，參照表2，對軸承外圈施加軸向載荷12.71 kN、徑向載荷10.59 kN，如圖2所示。

表2 VW-5載荷譜第18步

2 結果分析

執行計算，求解得出法蘭盤外圈在受載后的等效應力云圖及軸向位移云圖，如圖3～圖5。

圖2 約束和加載

由圖3、圖4可知，法蘭盤外圈在受載后，法蘭盤外圈外圓根部與凸臺連接處有部分應力集中，但最大應力發生在螺栓孔安裝面上，其值為694.22 MPa，大于規定塑性延伸強度R0.2＝450 MPa，小于該材料的拉伸強度R＝790 MPa。可以得出，在此載荷步下，法蘭盤外圈發生了塑性變形，仍在材料允許的范圍內，不會發生斷裂。但由于塑性變形為不可恢復的永久變形，可能會影響螺釘與法蘭盤外圈的配合，造成螺釘松動、使產品失效。

由圖5可知，在輪轂軸承受載后，法蘭盤外圈頂端被壓縮，發生在外圈邊緣，最大軸向位移為0.184 mm，而對應底部被拉伸，也發生在外圈邊緣，為相反方向的-0.173 mm，其位移總和為0.184＋0.173＝0.357 mm。

力矩剛性試驗測量原理公式[1]為：

式中：'－為兩點之間的距離，mm；Δ'－A為受載兩點之間的軸向距離，mm。

由圖5可知，、'分別為兩螺栓孔中心線與外圈的交點，由三維圖可量得其距離為129.45 mm。

將相關尺寸代入式（1）可得：

綜上所述，法蘭盤外圈在VW-5載荷譜第18步下，最大應力694.22 MPa、力矩剛性9.48'。

圖4 法蘭盤外圈等效應力b

圖5 法蘭盤外圈軸向位移

3 結束語

針對汽車輪轂軸承帶法蘭盤外圈這種形狀比較復雜的零部件，采用SolidWorks三維軟件進行建模，利用SolidWorks的有限元分析功能，通過施加VW-5載荷譜最嚴苛載荷步的載荷，模擬汽車最嚴苛情況下，輪轂軸承法蘭盤外圈的力矩剛性。結果顯示：在合適的條件下進行簡化，通過軟件模擬，可以預測比較復雜的零部件的力矩剛性，完全可以通過對每一個載荷步進行同樣的有限元分析，得出整個載荷譜的力矩剛性。方法同樣可以應用于不同車型、不同載荷譜下的力矩剛性。

[1]盧小輝. 基于遺傳算法的汽車輪轂軸承單元法蘭盤輪轂優化設計[D]. 廣東：華南理工大學，2011.

[2]Kajihara K. Improvement of simulation technology for analysis of hub units bearing[J]. KOYO Engineering Journal，2005（167E）：35-39.

[3]郭秋艷，龐浩，鄧磊. 基于ANSYS的.汽車輪轂軸承輪轂內法蘭盤的力矩剛性分析[J]. 機械設計與制造，2010（7）：210-212.

[4]周彥平，黎桂華，等. 汽車輪轂軸承輪轂凸緣力矩剛性分析[J]. 軸承，2009（2）：10-13.

Moment Rigidity Analysis of Wheel Hub Bearing Flange Outer Ring Based on SolidWorks

YU Binghao1，ZHAO Kun2，ZHOU Qingqing1

( 1.Qidong Jinqiao Bearing Co., Ltd, Nantong 226200, China;2.Technology Center, Cixing Group Co., Ltd, Ningbo 315301, China )

Based on the finite element analysis method, using SolidWorks entity modeling and finite element analysis simulation function, established 3D model of generation second wheel hub bearing flange outer ring, and then to grid discretization of the finite element analysis model. In view of the practical engineering application, with reference to VW-5 load spectrum, applying the toughest steps 18th load condition of VW-5 load spectrum in flange outer ring, calculated and analyzed it to get that the stress distribution and axial deformation of the flange outer ring. The results show that the maximum stress is located in the installation on the threaded holes, the value is 694.22 MPa, it is more than the plastic elongation strength and less than tensile strength of the material, it shows have taken place unrecoverable plastic deformation in the flange outer ring. The axial displacement is 0.357 mm, and the moment rigidity is 9.48' by calculation formula.

wheel hub bearing；flange outer ring；moment rigidity；SolidWorks；FEA

U463.343

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.05.010

1006－0316 (2018) 05－0036－03

2017－10－23

2014年寧波市企業技術創新團隊——高檔轎車關鍵軸承單元及組件研發

余兵浩（1988－），男，江西鄱陽人，碩士，工程師，主要研究方向為結構優化設計與軸承制造工藝。