輪轂軸承芯軸軸端形貌的有限元分析

范慶科

（浙江農業商貿職業學院，浙江 紹興 312088）

隨著車輛安全系統的高度集成化和智能化，懸架對輪轂軸承的強度及疲勞規格越來越高[1]。汽車輪轂軸承的維修保養手冊的數據顯示，同類型軸承故障率歐美國家較低。以客車的輪轂軸承為例，歐洲每百萬件故障率僅為我國的五分之一[2]。為此，轎車輪轂軸承在我國緊缺產品和技術目錄中排在第7 位，并明確提出要提高輪轂軸承的制造工藝水平。

傳統的輪轂軸承單元主要通過對鎖緊螺母預緊力的調節來實現精準裝配，這種方式下預緊力的調節不能根據車輛運動狀態的變化而自適應調節，容易導致使用壽命的降低[3]。擺碾鉚合技術較好地解決了上述問題，芯軸可以根據碾壓力的大小發生塑性變形，并產生壓緊作用的凸緣。但我國由于裝配技術的不足，現有的輪轂軸承在鉚合加工時很容易出現裂紋，產品的報廢率較高。第三代輪轂軸承單元內部的軸承圈分別設置有利于壓力配合的凸點，便于壓力配合同時留有一定間隙。但是在車輛振動嚴重的工況下，內圈容易松脫造成卡緊螺母壓緊力不夠，從而造成轂軸承單元無法起到承載的作用。為了進一步改良工藝技術，NSK公司通過內圈與軸芯之間接觸獲得預緊力，消除了隱患。

而今，國內外學者也對碾鉚合力學參數對成形工藝的影響展開了研究[4]。ZHOU 等人采用網格法、電測法、密柵云紋法等對擺碾接觸面積、擺碾力等參數進行了計算分析；Kalinowska-Ozgowicz 等人推導除了關于接觸面積率的精確表達式，并對接觸區域的變形規律進行了深度研究；LIN 等人使用有限元法分析了工藝參數對金屬流動規律、非均勻變形程度的影響；HAN等人基于有限元模型分析了接觸區壓力的變化規律。上述研究成果[5]為模具的結構優化提供了重要參考，但關于“擺碾碾壓工藝參數對芯軸翻邊的成形影響”的研究未有深入。

1 輪轂軸承芯軸的擺碾鉚合加工理論

擺動碾壓技術被廣泛應用于柱狀零件、圓角、翻邊的加工[6]。如圖1 所示，擺動碾壓的上模圍繞軸線以轉速n 旋轉，下模以進給速度v 從下往上直線運動。在上模和下模的作用下，工件塑形成形。當安裝在下模的芯軸與上模接觸時，如圖2 所示，上模母線便在芯軸斷面上連續滾動并產生壓力，從而實現芯軸軸端和內圈的鉚合，內圈承載力經歷三個變形階段：芯軸軸端開始變形→芯軸軸端塑性變形，軸端翻邊→芯軸軸端成形。

圖1 擺動碾壓加工原理圖

圖2 芯軸的擺碾鉚合加工原理圖

2 擺碾鉚合工藝參數的數學建模

為精準計算上模與輪轂軸承單元的接觸面，數學建模過程中作出如下假設：（1）上模的運動轉速穩定；（2）上模在運動過程中未發生彈性變形或產生的形變較小對接觸面沒有影響；（3）上模的運動軌跡為線接觸。

2.1 接觸面積系數和上模傾角

在成形過程中，接觸面為螺旋曲面，螺距為每轉進給量f(mm/r)，上模傾角為γ，則平面方程為：

由于r很小，做出假設cosr≈1，公式簡化為：

其中γ為上模傾角，由公式（4）可知：γ越大，則接觸面積率的值也越小，碾壓力變小，越容易產生變形。

2.2 每轉進給量和上模轉速

每轉進給量f可用如下公式表示，f為上模的上升量，v為下模直線速度，n為上模轉速。

3 工藝參數對芯軸軸端形貌的有限元分析

3.1 上模傾角對芯軸軸端形貌的影響

模擬內圈與芯軸的裝配過程。利用Deform-3D 軟件中的環境變量設置，并確定處上模具體位置，并分別進行網格設置。單元的基本面設置為四面體，輪轂芯軸劃分為100000 個單元、內圈劃分為32000 個單元。設置工序中常規的上模運動速度，每轉進給量為4.38mm/s、上模轉速3.2r/s，選取了九種傾角設置分別為1 到9 度，仿真獲取了不同傾角范圍內輪轂軸承單元的芯軸軸端的形貌圖。

圖3（a）為上模傾角在3°～6°范圍內的形貌圖，由圖可知該形貌圖表面光滑且無變形，壓力正常，為標準變形。圖3（b）為上模傾角小于3°范圍內的形貌圖，由圖可以看出芯軸軸端圓周側出現了小幅度翻邊現象，這是由于接觸面壓入不均等導致的。圖3（c）為上模傾角大于6°范圍內的形貌圖，可以看出變形較小，芯軸軸端圓周側的翻邊現象不明顯，這是由于成形過程中工件與內圈存在一定的接觸不良。

圖3 上模傾角對芯軸軸端形貌的仿真

3.2 上模每轉進給量對芯軸軸端形貌的影響

設置的上模設置參數與4.1 相同，選取1.74mm/s，2.46mm/s，3.53mm/s，4mm/s，4.41mm/s，5mm/s，5.29mm/s，6.17mm/s 的每轉進給量，仿真獲取了不同上模每轉進給量下輪轂軸承單元的芯軸軸端的形貌圖。

圖4（a）為上模每轉進給量小于5mm/s 內的形貌圖，由圖可知該形貌圖表面光滑且無變形，為標準圖。圖4（b）為上模每轉進給量大于5mm/s 時的形貌圖，由圖可以看出芯軸軸端出現了大幅度的翻邊現象，且厚度較薄，變形較大，當上模每轉進給量再大些時，軸端容易承受不住壓力，出現斷裂或裂紋。

圖4 上模每轉進給量對芯軸軸端形貌的仿真

3.3 上模轉速對芯軸軸端形貌的影響

依據之前的fenxi 數據，將上模傾角設置為5°，上模每轉進給量設置為4.6mm/s。選取2.5r/s，2.8r/s，3.14r/s，3.5r/s，5r/s，6.18r/s 和9.42r/s 的轉速，仿真獲取了不同上模轉速下輪轂軸承單元的芯軸軸端的形貌圖。

圖5（a）為上模轉速在3.5r/s到5r/s范圍內的形貌圖，由圖可知該形貌圖表面光滑且無變形，為標準圖。圖5（b）為上模轉速在2.8r/s 到3.5r/s 的形貌圖，由圖可以看出芯軸軸端的環形程度較小，彎曲弧度太小。圖5（c）為上模的轉速大于5r/s 時的形貌圖，由圖可以看出芯軸軸端出現了大幅度的翻邊現象，且厚度較薄，變形較大，當進給量再大些時，軸端容易承受不住壓力，出現斷裂或裂紋。

圖5 上模轉速對芯軸軸端形貌的仿真

4 總結

1.根據輪轂軸承芯軸的擺碾鉚合的加工原理，構建了輪轂芯軸擺碾鉚合的數學模型，從而確定了影響輪轂軸承芯軸軸端形貌的工藝參數，分別為上模傾角、上模進給速度和上模轉速。

2.利用使用Deform-3D 軟件對單元格進行有限元建模和網格劃分，并進行仿真分析，獲得了標準輪轂芯軸軸端形貌的工藝參數：上模傾角標準值在3°～6°范圍內，上模每轉進給量標準值為小于5mm/s 內，上模轉速在3.5r/s～5r/s 范圍內。