輪轂殼體及外圈柔性對輪轂軸承性能的影響

勞坤勝，陳偉軍，陸曉峰，過松濤，李雄

(錢潮軸承有限公司，杭州 311247)

圓錐滾子軸承滾子與套圈之間為線接觸，可承受軸、徑向聯(lián)合載荷，廣泛應用于大型商用車輪轂中[1]。學者對輪轂軸承疲勞壽命做了大量研究：文獻[2]對汽車輪轂用雙列圓錐滾子軸承進行動力學分析，結果表明軸承疲勞壽命與預緊量有關；文獻[3]對汽車輪轂用雙列圓錐滾子軸承疲勞壽命進行分析，結果表明轉彎時最大應力位于軸與凸緣結合處；文獻[4]對某重型卡車輪轂軸承進行靜、動力學分析，得到其可滿足免維護的設計要求；文獻[5]基于ROMAXDESIGNER對第三代輪轂軸承單元進行壽命計算，得到軸承接觸應力分布，并得到最佳安裝游隙；文獻[6]基于Romax軟件建立輪轂系統(tǒng)剛性模型，對輪轂軸承接觸應力及壽命進行分析，內圈與滾子接觸位置是軸承易損部位。

上述模型均未考慮輪轂殼體及套圈柔性對輪轂軸承性能的影響，鑒于此，基于Hypermesh和Romax軟件建立輪轂軸承有限元模型，對輪轂殼體和軸承外圈柔性化處理，計算其疲勞壽命。

1 圓錐滾子軸承壽命理論計算

GB/Z 36517—2018 《滾動軸承 一般載荷條件下軸承修正參考額定壽命計算方法》綜合考慮載荷、剛度、污染、應力等因素計算圓錐滾子軸承基本額定壽命L10r，即

(1)

修正額定壽命L10mr為

(2)

式中：Cr為基本額定動載荷；Pr為當量動載荷；a1為可靠度壽命修正系數(shù)；ns為切片數(shù)量；aISO為壽命修正系數(shù)；ec為污染系數(shù)；Cur為疲勞載荷極限；Prk為軸承第k個切片的當量動載荷；κ為潤滑油實際運動黏度與參考運動黏度之比；qcik，qcek分別為內、外圈第k個切片的基本額定動載荷；qeik，qeek分別為內、外圈第k個切片的當量動載荷。

對于成對使用的圓錐滾子軸承，其壽命為

(3)

式中：L1，L2分別為兩列軸承的壽命；對于滾子軸承，e取9/8。

2 有限元分析

以某輪轂成對使用的圓錐滾子軸承(一列為32217圓錐滾子軸承，另一列為32218圓錐滾子軸承)為研究對象，軸承主要結構參數(shù)見表1，套圈、滾子材料為GCr15，輪轂殼體材料為QT500，材料參數(shù)見表2。

表1 輪轂軸承主要結構參數(shù)

表2 輪轂軸承材料參數(shù)

表3 循環(huán)載荷路譜

2.1 模型建立

在SolidWorks中建立輪轂殼體三維模型并導入Hypermesh對其進行四面體網(wǎng)格劃分，結果如圖1所示，共生成39 963個單元。

圖1 輪轂殼體網(wǎng)格模型

2.2 柔性化處理

未柔性化輪轂軸承模型如圖2a所示，外圈為剛性連接。輪轂殼體剛度會影響軸承錯位量、壽命，將圖2 模型導入Romax縮聚計算輪轂殼體的剛度矩陣，并將外圈柔性化，可以更全面考慮殼體及軸承套圈受力后變形、位移等對軸承滾道接觸應力和壽命的影響，軸承外圈與殼體連接，柔性化模型如圖2b所示。上述模型均為軸承外圈旋轉，載荷施加在輪轂殼體上。

(a)未柔性化

2.3 結果分析

2.3.1 變形分析

考慮柔性時軸承會產生軸向和徑向變形，如圖3所示，32217，32218軸承外圈徑向最大變形量分別為6.59，14.85 μm，軸向變形較小，接近實際工況。說明考慮輪轂殼體及外圈柔性時軸承會產生偏斜，進而影響兩端軸承滾道接觸應力和壽命。

圖3 輪轂軸承外圈變形曲線

2.3.2 應力分析

在工況4下軸承受載最大， 最大接觸應力位于滾子與內圈接觸位置，提取此處的應力云圖，如圖4所示(左側為未柔性化結果，右側為柔性化結果)：柔性化對32217軸承滾道接觸應力影響較小，對32218軸承影響較大，說明考慮柔性時輪轂軸承會發(fā)生偏斜，進一步驗證了2.3.1節(jié)的分析結果。

圖4 輪轂軸承內圈滾道接觸應力

2.3.3 壽命分析

根據(jù)上述模型可計算單套軸承的壽命，再通過(3)式可得輪轂軸承綜合壽命，結果見表4：考慮柔性時軸承綜合壽命降低了14.99%，其中32217軸承壽命增大了7.26%，32218軸承壽命降低了28.23%。結合2.3.1節(jié)變形曲線，說明殼體及軸承套圈變形對軸承壽命有顯著影響。

表4 輪轂軸承壽命計算結果 Tab.4 Life calculation results of hub bearings km

3 結束語

基于Hypermesh和Romax的聯(lián)合仿真，分析商用車輪轂殼體及外圈柔性對輪轂軸承變形、滾道接觸應力及軸承壽命的影響，考慮輪轂殼體及外圈柔性時軸承會發(fā)生偏斜，進而影響滾道接觸應力及軸承壽命，輪轂軸承綜合壽命降低。在理論分析時應充分考慮輪轂殼體及套圈柔性對軸承性能的影響，其影響規(guī)律還與整車參數(shù)等有關，后續(xù)有待進一步研究。