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简论我国轿车轮毂轴承单元开发关键技术研究进展论文

简论我国轿车轮毂轴承单元开发关键技术研究进展论文

自1938年SKF公司制造的轮毂轴承单元问世以来，轮毂轴承就

一直向着高载荷能力、结构紧凑、免维护、高可靠性以及轻量化方向

发展。近年来，SKF公司推出了具有革命性意义的X-tracker不对称轮

毂轴承单元，通过改进轮毂轴承单元力矩刚性的方法解决了制动行程

过长的问题。自20世纪90年代初我国部分轴承制造企业开始设计制

造轿车轮毂轴承单元以来，众多企业和研究机构进行了轿车轮毂轴承

关键技术开发的积极研究和有益探索。

传统的产品开发周期要1～2年甚至更长。为缩短开发周期及降低

开发费用，需要在产品开发早期提供成熟的、质量高的设计方案，这

就要求在产品开发早期应用设计优化、性能分析及性能试验评价等技

术。轿车轮毂轴承单元开发关键技术包括受力分析及关键性能指标计

算、性能分析、设计优化、性能评价等方面的技术。这几个方面的技

术紧密相关，构成了自主开发技术的重要组成部分。

1受力分析及关键性能指标计算

1.1轮胎载荷

轿车行驶过程中，轿车重量及侧向加速度引起的附加载荷会通过

轮胎作用于路面。轮胎载荷即轿车行驶过程中路面对轮胎的反作用力，

通常包括径向、轴向轮胎载荷等。文献设计了城市用轿车轮毂轴承载

荷谱的测试系统，介绍了轿车匀速、加速及减速时轮毂轴承载荷谱的

测试试验方法，对城市道路环境条件下的轿车轮胎载荷进行了测试与

特性分析。文献把轿车的行驶简化为线性化刚体运动，建立了轿车稳

态转弯模型，对轮胎载荷计算公式进行了推导并分析了轮胎载荷特性。

研究结果表明:轿车侧向加速度显著影响轮胎载荷，其对轴向轮胎载荷

的影响显著程度大于径向轮胎载荷。研究结果为轿车轮毂轴承耐久性

试验载荷谱设计提供了理论依据。

1.2受力分析

文献提出了具有普遍性的建立轮毂轴承整体三维有限元接触分析

模型的准则，以某载重汽车用轮毂轴承为例验证了建模准则的有效性。

文献利用ANSYS建立了双列圆锥滚子轴承结构的轿车轮毂轴承及其外

围结构的多体接触有限元(FEM)力学模型，该模型在计算Hertz接触应

力传统模型的基础上，耦合了柔性座圈挠曲变形的影响，得出了轿车

轮毂轴承内、外套圈3D应力分布以及滚动体载荷随外部载荷递增时的

变化规律。文献考虑了两列轴承轴向变形协调关系以及受载后接触角

的变化，对预载荷为零的双列角接触球轴承的受力作了分析。轿车轮

毂轴承属于中、低速应用场合，滚动体离心力和陀螺力矩的影响可忽

略不计，而且滚动体上的摩擦力和力矩也不会显著影响载荷分布。文

献基于静力学分析方法建立二自由度的数学模型，考虑接触角的变化

和轴向预载荷的影响，采用数值求解方法可以求解轿车轮毂轴承的载

荷分布。

2性能分析

轴向游隙(轴向预载荷)和轮毂偏移量是轿车轮毂轴承重要的开发设

计变量，其对轿车轮毂轴承性能有显著的影响。文献就轴向游隙和轮

毂偏移量对轿车轮毂轴承性能的影响开展了系统研究。

2.1轴向游隙和轮毂偏移量的影响分析

轴向游隙与轮毂偏移量相比，对轮毂轴承的载荷分布、系统疲劳

寿命以及力矩刚性具有更显著的影响。在两种典型的行驶状态下，每

一列轴承的径向和轴向位移相对轴向游隙的变化情况。轴向游隙(轴向

游隙为负时即为轴向预载荷)对疲劳寿命和相对倾斜角(力矩刚性)的影

响分析结果。疲劳寿命、相对倾斜角(力矩刚性)受轮毂偏移量的影响分

析结果。

2.2力矩刚性分析

国外某些公司应用FEM技术开展力矩刚性分析，取得了较为满意

的结果。文献基于静力学分析方法，运用APDL参数化分析技术，建

立了第3代轿车轮毂轴承轮毂凸缘的有限元模型。利用大型有限元分

析软件ANSYS对轮毂凸缘在力矩载荷条件下的力矩刚性进行了接触分

析和计算，得到轮毂凸缘主轴的倾斜角变化特性。轮毂轴承单元承受

力矩M=2000kN·mm时，轮毂凸缘盘的轴向位移云图和VonMises应

力云图。结果显示有限元方法能很好地模拟实际情况，能对其刚性进

行很好地预测，也为以后轮毂轴承单元整体刚性分析提供了良好的思

路。

文献探讨了轮毂轴承对车轮晃动的影响。文献则给出了车轮晃动

的理论解释，“车轮晃动”及“轴承异响”等轮毂轴承失效现象的主

要起因基本上可以归结为