基于Adams 的軸承摩擦力矩動力學仿真與驗證*

黃佳男 王建航 范零峰 雷良育，2

（1.浙江農林大學；2.浙江兆豐機電股份有限公司）

輪轂軸承主要用于作為汽車車軸處的質量承擔和為輪轂的轉動提供精確引導的零部件，既承受徑向載荷又承受軸向載荷，是汽車載重和轉動的重要組成部分，關乎汽車安全和性能。摩擦力矩作為輪轂軸承單元的1 項重要性能指標，直接影響到軸承及軸類零件的使用壽命和傳動效率，在輪轂軸承的加工過程中，需要經過粗磨、精磨、粗超精及精超精等大量工序來降低輪轂軸承接觸中的摩擦力，摩擦力矩檢測也是輪轂軸承出廠綜合性檢測的一項重要指標。因此，在輪轂軸承的分析優化環節中，要對輪轂軸承進行優化，首先就需要對摩擦力矩的組成形式及產生方式進行分析。基于以上問題，文章提出1 種動力學仿真方法，通過Adams 動力學仿真對理論研究中的輪轂軸承摩擦力矩進行分析，驗證輪轂軸承結構的合理性，經過臺架試驗驗證，達到預想的效果。

1 重卡輪轂軸承單元的組成

重卡是重型卡車的簡稱，相比家用小型汽車，重型卡車的工作環境更加惡劣，承載的力更大。因此重卡輪轂軸承各部分間的配合比一般小型汽車輪轂軸承更為精密，在結構上比后者大2 倍以上。某公司研發生產了一款500 000 km 免維護的重卡輪轂軸承單元，并實現整個集成化的單元質量較以前產品減輕110 kg[1]，由于結構與密封唇形狀的改變，該輪轂軸承的摩擦性能需要重新測定。

該重卡輪轂軸承的主要組成部分由內圈、外圈、滾動體、保持架、鎖扣扭、重卡車架(球殼)及螺栓等組成。根據汽車輪轂軸承的裝配要求和特點，軸承需要能夠同時承受較大的軸向載荷和徑向載荷，因此重卡輪轂軸承單元內部裝配雙列圖錐滾子軸承。其工作特點主要為:將重卡輪轂軸承單元裝配在重卡的車橋主軸上，軸承的內圈固定在主軸上，由汽車控制車橋主軸旋轉帶動重卡球殼旋轉，從而帶動外圈和滾子依據旋轉速度旋轉，重卡的輪胎裝在螺栓上從而驅動重卡行走[2]。重卡輪轂軸承的三維圖，如圖1、圖2 所示。

圖1 重卡輪轂軸承三維圖

圖2 重卡輪轂軸承爆炸圖

2 軸承摩擦力矩計算理論

軸承的內部充滿了摩擦阻力，克服摩擦阻力使得軸承的內外圈產生相對轉動的外加的力矩總和即為軸承的摩擦力矩[3]。在測量摩擦力矩時，啟動摩擦力矩和勻速旋轉摩擦力矩往往被作為評定軸承性能的重要技術指標，摩擦力矩是體現整個輪轂軸承加工和裝配的綜合性指標，軸承零件的制造工藝和裝配精度都會影響摩擦力矩的數值大小。一般將軸承摩擦力矩產生原因歸于以下4 點[4]。

1）滾動摩擦阻力：由于軸承的材料存在彈性滯后現象，從而會產生純滾動摩擦。2）軸承內外圈及滾動體接觸處的滑動摩擦力：內外圈及滾動體接觸過程中會產生差動滑動、自轉和傾斜等，從而引起的微小滑動，進而產生滑動摩擦力。3）滾動體與保持架兜孔間的滑動、保持架與套圈引導表面間的滑動以及滾子端面與套圈擋邊之間的滑動摩擦力：滾子端面與套圈擋邊之間的滑動摩擦對屬于雙列圓錐滾子軸承的重卡輪轂軸承的影響尤其重要。4）攪動阻力引起的粘性摩擦阻力：由于潤滑劑的作用，在軸承運轉時產生。

SKF 公司根據這幾個方面的摩擦力矩影響情況推出了目前最常用的軸承摩擦力矩計算公式，非常適用于中等負載、潤滑良好及中等轉速等環境條件下。該公式如下[5]：

滯后性-滾動摩擦力矩：

式中：Grr—與軸承類型、尺寸、所受載荷相關的變量；

n—軸承轉速，r/min；

v—潤滑油運動粘度，mm2/s。

接觸點的線速度不同-滑動摩擦力矩：

式中：Gs1—與軸承類型、軸承直徑、所受載荷相關的變量；

μs1—滑動摩擦因數，與潤滑脂材料相關。

密封圈-內外圈摩擦：

式中：Ks1—軸承類別的常量；

Ks2—軸承類別、密封圈形式相關的常量；

ds—肩部直徑，mm；

β—軸承類型、密封圈形式相關常量。

潤滑脂攪拌阻力：

式中：h—油膜厚度，mm；

αoil—粘壓系數，mm2/s；

S—油膜潤滑系數；

Dm—軸承節圓直徑，mm；

aε、ai—內外滾道膨脹系數；

Z—鋼球粒數。

3 重卡輪轂軸承動力學仿真分析

3.1 重卡輪轂軸承單元三維建模

本文針對某公司開發的13T 免維護重卡輪轂軸承進行Solidworks 三維建模，軸承主參數如表1 所示。

表1 重卡輪轂軸承主參數

3.2 材料屬性與約束設置

材料選擇:根據重卡輪轂軸承實際生產資料，分別對重卡輪轂軸承各部件的材料參數進行設置，具體材料參數如表2 所示。

表2 圓錐滾子軸承各部件材料參數表

約束設置：重卡在行駛過程中，輪轂軸承內圈固定，外圈隨著球殼轉動。在內圈與大地之間添加平行副，在外圈與球殼之間添加固定副，在球殼與大地之間添加旋轉副[6]，分別添加滾子與內圈、滾子與外圈、滾子與保持架之間的接觸，具體約束類型與約束數量如表3所示。

表3 重卡輪轂軸承各零部件約束

3.3 Adams 動力學仿真分析

在Solidworks 軟件中完成三維建模后，將Solidworks 中的三維模型導入到Adams 動力學仿真軟件，該操作需要先將Solidworks 裝配體保存為x_t 格式。打開Adams 軟件的File Type 選項，文件類型選擇Parasolid，在file to read 選項框中雙擊，選擇保存的x_t 文件，在Model name 中右鍵，依次選擇MODEL，creat，點擊ok完成導入。為重卡輪轂軸承單元添加模擬真實情況下所存在的接觸，選擇內圈固定，外圈旋轉，并為整體添加約束副和轉速，由于該模型接觸較多，且滾動體轉動條件復雜，可以先在Settings-Solver-Executable 中將Thread Count（線程數）設置為8 線程，從而加快求解速度。點擊Simulation 模塊進行動力學仿真，將時長設為1 s，步數設為2 000 步。設置完成后如圖3 所示[7]。

圖3 ADAMS 動力學仿真界面

3.3.1 啟動摩擦力矩仿真

為了得到啟動摩擦力矩的仿真值，設置轉速為5 r/min 模仿軸承從靜止開始轉動的過程。Adams 動力學仿真完成后，按F8 進入Adams PostProcessor 模塊，其摩擦力矩如圖4 所示，軸承在剛剛啟動經過一個過沖量后摩擦力矩最大，隨后慢慢平穩得到啟動摩擦力矩。

圖4 啟動摩擦力矩仿真結果

去除初始過沖量數據后，將穩定后的數據導入Matlab 處理，為了減少誤差，此項步驟重復操作10 次，取出每次仿真的最大摩擦力矩和啟動摩擦力矩，取平均值。處理得到轉速穩定部分的平均值為12.17 N·m。

3.3.2 旋轉摩擦力矩仿真

旋轉摩擦力矩也稱動態摩擦力矩，即高轉速穩定狀態下的摩擦力矩，為了得到啟動摩擦力矩的仿真值，設置轉速為600 r/min，模仿軸承勻速轉動的過程[7]。Adams 動力學仿真完成后，按F8 進入Adams PostProcessor 模塊，其摩擦力矩如圖5 所示.

圖5 旋轉摩擦力矩仿真結果

與啟動摩擦力矩處理方法相同，旋轉摩擦力矩數據平均值為7.96 N·m，根據團體標準《商用車輪轂軸承單元》，該檢測裝置對于13T 重卡輪轂軸承旋轉摩擦力矩的合格標準為4～8 N·m，啟動力矩在10～15 N·m 之間，本次動力學仿真的啟動摩擦力矩與旋轉摩擦力矩仿真數據都在該范圍內，初步驗證了試驗對象在按照標準的模擬下摩擦力矩的合理性，為了進一步驗證Adams 動力學分析對重卡輪轂軸承摩擦力矩仿真的準確性，將進行臺架試驗分析。

4 測試設備

本試驗采用的重卡輪轂軸承摩擦力矩檢測裝置如圖6 所示，圖中：1 為機架；2為頂升裝置；3為試驗工裝；4為驅動電機；5為氣液增壓缸；6為升降氣缸；7為扭矩傳感器；8為下壓頭。該裝置主要由扭矩傳感器、氣液增壓缸、頂升部件和定位部件組成。其中，定位部件由預前擋氣缸組件、后阻擋氣缸組件及RFID 模塊等組成，用于對托盤的定位與管理；頂升裝置部件由下頂升組件、下滑臺橫移擋塊組件及電機旋轉模塊等組成，用于旋轉軸承內圈及定位產品高度；上滑臺升降部件由上滑臺組件、扭矩檢測模塊等組成，用于撥動外圈并檢測輪轂的轉動力矩。該設備的實體圖如圖7 所示。

圖6 摩擦力矩在線檢測裝置結構圖

圖7 重卡輪轂軸承摩擦力矩檢測裝置實體圖

5 重卡輪轂軸承摩擦力矩試驗結果

為了保證測量的精確性，降低誤差影響，本次試驗選取100 個試驗工裝，每個試驗工裝分別測試2 次，共得到200 個數據[8]。從輪轂軸承單元靜止、啟動至設定轉速為止。試驗機在每1 次檢測完摩擦力矩之后，會把啟動摩擦力矩和旋轉摩擦力矩記錄在人機盒中，通過拷貝可以得到完整的EXCEL 數據文件，提取重卡輪轂軸承摩擦力矩曲線數據，將曲線數據導入MATLAB 中進行繪圖[9]。可以得到：啟動力矩的平均值為11.81 N·m，勻速旋轉力矩的平均值為7.43 N·m。折線圖如圖8 所示。

圖8 重卡輪轂軸承單元摩擦力矩試驗數據

6 結語

利用Adams 動力學仿真軟件對重卡輪轂軸承進行動力學仿真分析，得到13T 重卡輪轂軸承啟動摩擦力矩以及旋轉摩擦力矩的仿真結果，仿真結果均符合最新的行業標準，隨后通過重卡輪轂軸承摩擦力矩試驗機檢測其真實的摩擦力矩數據并與仿真結果比較，結果顯示仿真與試驗的數據相近，由此肯定了本次針對重卡輪轂軸承的動力學仿真可靠性，且可以得出：該重卡輪轂軸承的啟動摩擦力矩在10～13 N·m 之間，勻速轉動摩擦力矩在6～9 N·m 之間。該重卡輪轂軸仿真分析結果真實可靠，且與真實臺架試驗結果基本一致，可以應用于實際工程分析中，指導生產實踐。