商用車免維護輪轂軸承單元中間密封結構分析

◎文/魯俊（安徽華菱汽車有限公司）

商用車驅動橋免維護輪轂軸承單元在使用中，有相當比例的產品，會因為中間橋包的齒輪油通過軸承單元兩個內圈之間的接縫處流入軸承內部，導致軸承單元早期失效。因此有必要為其設計開發可靠的中間密封，以有效阻擋齒輪油的進入。

一、商用車驅動橋輪端結構

商用車驅動橋中間帶有一個裝有減速機構的橋包，包內盛有齒輪油。車輛行駛時，橋包中減速機快速運轉的同時，也將齒輪油飛濺到軸管中。由于商用車輪轂軸承單元是外圈旋轉，且與車軸間隙配合，因此在軸的下表面與軸承內徑間會出現間隙，而順著軸管流淌的齒輪油在軸端流出后，可能會流入這個間隙，進而通過軸承單元兩個內圈間的接縫流入軸承內部，見圖1。

圖1 齒輪油進入輪轂軸承單元的路徑

二、免維護輪轂軸承單元及其中間密封的結構分析和研究

1.中間密封結構設計

首先設計了方形密封橡膠環結構，見圖2（1）；為了減小橡膠環在密封安裝被夾持時，大塑性變形引起的材料堆積的影響，在其加持帶的上方設計有一圈凹槽，即結構1，見圖2（2）；考慮到橡膠環的徑向滑移，又設計了燕尾型底面的橡膠圈即結構2，見圖2（3）。需要對圖2（2）、

（3）兩種結構設計進行對比。

圖2 中間密封結構設計

2.中間密封材料選擇

由于商用車輪轂軸承單元工作載荷大，并且經常是長時間連續運行，工作溫度較高，因此需要采用氟橡膠材料制造。橡膠的硬度不宜太高，否則易老化；但是太低，密封接觸力可能不足。選擇邵氏硬度在70HA、75HA和80HA的三種材料進行接觸應力分析。

3.中間密封接觸力分析

由于中間密封圈材料為橡膠材料，可近似認為不可壓縮超彈性材料。在實際應用中，橡膠材料存在著復雜的邊界條件和接觸非線性等各種問題。橡膠材料的非線性主要體現在以下幾個方面:材料應力應變非線性、幾何應變位移關系非線性及接觸非線性，其中，橡膠材料的材料應力應變非線性可用應變能函數來表示[1]。還應當指出的是，橡膠材料在變形保持不變條件下，由于材料的粘性而使應力衰減（稱為松弛）或者在載荷保持不變條件下，由于材料粘性而使變形繼續增加（稱為蠕變）又使得密封圈力學模型可能成為依賴于時間的粘彈性問題。為簡單起見，本次仿真分析中并未考慮松弛及蠕變的影響。

近似不可壓縮的橡膠材料的力學模型表現為復雜的材料與幾何非線性。大部分學者都曾經提出過一些專門描述橡膠材料應力應變關系的函數，如Mooney-Rivlin模型、Ishihara-Zahorski模型、Klosner-Segal模型、Biderman模型等。為了能夠配合使用ANSYS有限元分析軟件中的有限元程序對所要求的問題進行求解，本次仿真分析中將會使用Mooney-Revlin模型[2]。在有限元分析中，采用完全Lagrange格式的增量分析方法來解決密封圈的幾何非線性問題，即在分析過程中，所有靜力學和運動學變量總是參考（始終保持不變的）初始位形，具體分析方法可參考文獻[3]。分析中采用的橡膠材料模型為近似不可壓縮彈性材料的Mooney-Rivlin模型[4]，和材料的應變能偏量部分有關的兩個材料常數C10和C01（常稱之為穆尼材料常數）可由從實驗獲得的經驗公式[5]中根據橡膠材料的硬度（或彈性模量）計算得出，兩個參數的Mooney-Rivlin方程為

式（ 1）中，C10和 C01是 Mooney 常數 ，I1、I2為第一、第二Green應變不變量。

在小應變時，橡膠材料的彈性模量E0與剪切模量G的關系如下：

由橡膠材料的不可壓縮性得泊松比μ=0.5，于是E0=3G，得到

根據橡膠材料IRHD硬度Hr與E0的實驗數據，經擬合得式：

再結合C10、C01的經驗比值，就可確定材料系數C10、C01的值。本項目中所用不同硬度的橡膠對應的C10、C01的計算數值如表1、表2所示。

表1 不同硬度的橡膠對應的C10、C01的計算數值

表2 不同樣品對應的C10、C01的計算數值

4.建立邊界條件

模型的基本假設。為了有限元分析能夠順利進行并取得近似準確的結果，本次仿真分析對材料的性質以及邊界約束等情況進行如下假設：制成密封圈的橡膠超彈性材料的彈性模量E和泊松比μ的值一定；密封圈及接觸邊界可以認為是軸對稱；密封圈的橡膠材料具有不可壓縮性；由于套圈的剛度是橡膠剛度的幾萬倍，所以套圈可以被認為是剛體邊界[6]。

建立有限元模型。在密封結構中已經不能通過線性理論描述橡膠材料在受力情況下的位移和變形關系，就需要通過幾何非線性理論來解釋。利用ANSYS有限元分析軟件的擴展命令功能，再加上密封圈的邊界受到的力具有圓周對稱性，以及考慮到密封圈的特殊結構，可以將密封圈模型簡化為軸對稱的平面模型。通過ANSYS有限元分析軟件中的擴展命令對得到的分析成果進行擴展，就可以達到和三維模型進行分析的相同效果。另外，本次仿真分析主要是在靜態分析的條件下對密封圈模型進行分析的。本次仿真分析所用的模型根據圖2（2）、（3）兩種結構進行創建。選用兩種樣品，其中樣品1和2采用分析模型（1），樣品3和4采用分析模型（2）。

邊界條件和載荷。由于密封圈與套圈之間是過盈配合，因此在建模時要使二者平移至恰好接觸，在對安裝過程進行模擬時，只需給套圈一個軸向方向和徑向方向的位移，其大小恰好是過盈量Sx和SY，不同樣品接觸條件下的過盈量以及對應的分析模型見表3。

表3 不同樣品接觸條件下的過盈量

5.中間密封的理論驗證評價

通過建模，得到了軸向密封接觸力分布、徑向密封接觸力分布和整體FEA應力分布云圖（圖略）。從圖中可見，四種樣品的軸向最大值分別為31.31N、20.72N、7.8N、15.35N。四種樣品的徑向最大值分別為4.85N、3.12N、1.98N、3.93N， 接縫處徑向分別為 3.77N、1.73N、1.98N、3.93N。

分析結果表明，樣品1型密封的徑向接觸力分布不是均態，在接縫處的接觸力為3.2N，沒有漏油發生；樣品2型密封的徑向接觸力分布也不均勻，在接縫處的接觸力為1.3～1.7N，發生漏油；樣品3型密封的徑向接觸力分布均勻，在接縫處的接觸力為1.98N，可能發生漏油；樣品4型密封的徑向接觸力分布均勻，在接縫處的接觸力為3.93N，不可能發生漏油。

三、結論

實驗驗證結果和理論計算結果相同，四種密封圈在同等過盈配合條件下，橡膠硬度（60～85HA）越高，密封接觸力越大。免維護輪轂軸承單元中間密封環最佳設計方案為，采用結構（3）中樣品4設計，橡膠硬度75～85HA，密封環相對軸承套圈的過盈配合取0.6～1.0mm。

在上述分析計算之前，已對密封環的硬度和配合過盈量進行過更大范圍的篩選，然后取出本次分析的硬度范圍和配合過盈量范圍進行比較分析，即上述結論是在逐步縮小邊界范圍的基礎上得出。