前橋軸承及輪轂協同壽命提升的分析與改進研究

林軍濤，劉娟，李孟良，王桂峰，孔德利

（262200 山東省 濰坊市 諸城市義和車橋有限公司）

0 引言

輪轂軸承作為承重和為輪轂高速轉動提供精確引導的關鍵零部件[1]，其運行情況直接影響整橋乃至整車性能，只有選擇合適的軸承才能滿足使用要求。在為主機廠開發新平臺前橋產品時，針對整車廠要求的軸承型號，運用軸承壽命理論計算發現，在承受額定載荷時，內、外軸承壽命均較低。分析其他橋廠軸承故障模式，得到該類型前橋輪轂軸承故障率較高，集中于燒蝕問題，如圖1 所示。

圖1 軸承燒蝕圖片Fig.1 Picture of bearing ablation

本文以提升前橋輪轂軸承壽命為研究目的，通過優化輪轂軸承型號、受力位置，對比側滑工況下輪轂軸承壽命理論分析，結合ANSYS Workbench有限元分析軟件對前輪轂進行同步優化，達到零部件協同壽命提升的目的，實現前橋產品高質量開發。

1 商用車前橋輪端結構型式

目前，國內商用車車橋輪端普遍采用非對稱式單列圓錐滾子軸承，即內、外軸承規格不同，為綜合考量軸承壽命，大部分橋廠均采用“內大外小”軸承布置模式，結構如圖2 所示。

圖2 結構型式Fig.2 Structural type

輪轂內、外軸承采用背靠背方式壓裝在前輪轂上，通過鎖緊螺母、墊片與轉向節剛性連接，依靠輪轂螺栓、螺母使前輪轂、制動鼓、輪輞形成一個剛性連接體，再與輪胎有效配合，實現前輪轂承重以及繞轉向節軸旋轉；剎車制動時，制動器與制動鼓產生的制動力矩使行車速度降低。

2 輪轂軸承壽命分析

影響輪轂軸承壽命的因素有很多，可歸納為2個方面：一是系統外影響因素，如路況、駕駛操作等；二是系統內影響因素，如載荷分布和輪轂軸承的具體布置等[2]。目前對車橋零部件主要分析沖擊、制動、側滑3 種工況。側滑工況最為惡劣，側滑工況下前橋受力情況如圖3 所示，當汽車向右側滑時，前橋承受地面的支承反力ZL、ZR和側滑反力YL、YR，整橋的載重G 和側滑力Gφ。

圖3 前橋受力情況Fig.3 Force on front axle

2.1 車輪的支承反力

平衡方程為

車輪的地面側滑反力

式中：G——汽車滿載靜止于水平路面時前橋給地面的載荷，N；hg——汽車滿載時的質心高度，m；φ——輪胎與地面間的側向附著系數，一般取0.7；B——車輪的輪距，m。

因為汽車質心高度需要根據使用情況隨時變化，難以選取準確、合理的數值，計算時可取汽車向右側傾翻的極限情況，此時左側車輪受力為0，可得[3]：

2.2 輪轂軸承的徑向支承力

側滑時內、外輪轂軸承對輪轂的徑向支承力可根據車輪的受力平衡求出[4]，受力分析如圖4 所示。

圖4 輪轂軸承受力Fig.4 Force on hub bearing

圖4 中：r——輪胎滾動半徑；L1——輪輞偏距；L2——輪轂軸承孔間距；L3——輪轂大端面到內軸承端面距離；S1R——內軸承徑向力；F1R——內軸承軸向力；S2R——外軸承徑向力；F2R——外軸承軸向力；Fa——軸向力；a——S1R至車輪中心線的距離；b——S2R至車輪中心線的距離。

依據力和力矩的平衡方程

求得內、外軸承的支承力為

由于圓錐滾子軸承接觸角的存在，導致軸承派生出軸向力

式中：Y——軸向動載荷系數。

對成對安裝的角接觸軸承軸向載荷

2.3 輪轂軸承的徑向當量動載荷

對圓錐滾子軸承徑向當量靜載荷

2.4 軸承壽命計算

軸承壽命計算公式為

式中：L10——軸承壽命，km；D——輪胎直徑，mm；C——額定動載荷，kN；ε——滾子軸承壽命指數，ε=10/3。

通過優化輪轂軸承型號、更改輪轂軸承間距，對比分析改進前、后輪轂軸承壽命，具體結果見表1—表3 所示。

表1 軸承參數對比Tab.1 Comparison of bearing parameters

表2 優化參數對比Tab.2 Comparison of optimized parameters

表3 軸承壽命對比Tab.3 Comparison of bearing life

3 前輪轂優化

為保證前橋現有接口尺寸不變，在輪轂軸承采用加寬型號后，需將輪轂軸承孔間距L2、輪轂大端面到內軸承端面距離L3相應減?。ㄈ鐖D5 所示），運用ANSYS Workbench 分析輪轂軸承壽命大幅提升條件下，前輪轂應力是否滿足材料性能要求。

圖5 前輪轂優化Fig.5 Front hub optimization

將三維模型導入ANSYS Workbench 靜力分析模塊Static Structural，設置QT500-7 材料特性，密度7 000 kg/m3，彈性模量162 GPa，泊松比0.293。同樣在極限側滑工況下模擬前輪轂受力[5-6]，以輪輞安裝端面建立局部直角坐標系，通過輪胎螺栓安裝孔進行遠程加力（同車輪受力，ZR=G，YR=Gφ）,受力情況如圖6 所示。

圖6 受力情況Fig.6 Force condition

計算分析結果如圖7 所示。通過受力分析對比，兩者應力趨勢一致，輪胎螺栓安裝孔附近為最大應力點，分別為515.6 MPa、332.2 MPa，優化后應力明顯降低，降幅達35.6%。

圖7 應力情況Fig.7 Stress condition

4 結論

本文對前橋輪轂軸承壽命進行了理論分析和改進研究，主要結論：（1）改變輪轂軸承型號、優化軸承受力位置、加大額定動載荷C 與當量動載荷P的比值，理論計算壽命提升1 倍以上，在滿足裝配工藝、保證軸承游隙的條件下，可有效降低輪轂軸承燒蝕故障；（2）前輪轂相應更改軸承孔位置，受力位置的改變使最大應力降低30%以上，延長了前輪轂使用壽命。（3）通過協同分析、改進，以期提升產品整體質量水平，降低主機廠售后索賠費用。