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汽车轮毂轴承的疲劳耐久分析与研究
2020-08-11 18:16:24· 来源：EDC电驱未来
作者：聂 帅，张春林丨北京海纳川汽车部件股份有限公司汽车轮毂轴承与转向节和车轮相连，通过其将扭矩传递给车轮，其耐久性直接影响汽车底盘的行驶性能。可从轴
作者：聂 帅，张春林丨北京海纳川汽车部件股份有限公司
汽车轮毂轴承与转向节和车轮相连，通过其将扭矩传递给车轮，其耐久性直接影响汽车底盘的行驶性能。可从轴荷承载、疲劳耐久和轻量化多种角度分析设计轮毂轴承。如果轮毂轴承失效，会产生振动和噪声等舒适性问题，而且还会影响汽车的安全性能。
通过建立前后轴荷理论模型，得到轮毂轴承的前后轴荷，进一步推导出轴承的额定许用载荷和当量等效载荷，通过比值和修正计算，得出汽车轴承的疲劳耐久理论计算方法。
1 汽车轮毂轴承结构演化
随着零部件集成化、轻量化技术的发展，轮毂轴承也经历了迭代更新。
图1 轮毂轴承结构
第1代轮毂轴承如图1（a）所示，采用传统的双列轴承结构；第2代如图1（b）所示，在传统轴承的外圈上增加法兰结构；第3代如图1（c）所示，轴承内外圈都变成法兰结构，提升了轴承的集成化和轴承刚度；第4代如图1（d）所示，在第3代轴承结构基础上，将内部与万向节集成在一起，实现初步的集成化设计，减少花键连接工艺，提升扭矩传递的稳定性；第5代如图1（e）所示，将制动盘与轴承集成一体，实现前轴总成的集成化设计，但目前未实现量产应用，第3代产品已得到广泛应用。
2 汽车轮毂轴承寿命理论计算
2.1 车轮轴荷力学模型
轮毂轴承疲劳耐久计算的关键是得到轴承的额定许用载荷和当量等效载荷，其前提是计算出轴承的径向载荷。
进行前轮毂轴承力学分析时，行驶模式为制动模式，附加系数G=0.6；进行后轮毂轴承力学分析时，行驶模式为加速模式，附加系数R=0.3。
前轮轴荷和后轮轴荷的理论模型分别如图2和图3所示。
图2 前轮轴荷理论模型
图3 后轮轴荷理论模型
前轮毂轴承径向载荷为
Ff=0.5M(b+G‧h)/S （1）
后轮毂轴承径向载荷为
Fr=0.5M(a+R‧h)/S （2）
式中：Ff为前轮所受地面反作用力；Fr为后轮所受地面反作用力；M为整车质量；h为重心高度；G为制动附加系数；R为加速附加系数；S为轴距；a为重心到前轮心的水平距离；b为重心到后轮心的水平距离。
2.2 额定许用载荷计算
轴承的额定许用载荷用径向基本额定许用载荷Cr来表示
（3）
式中：i为滚动体列数；a为轴承公称接触角；z为单列轴承中滚动球的个数；Dw为滚动球的直径；bm为常用轴承钢和加工方法的修正系数，汽车轮毂轴承取bm=1.3；fc为与轴承零件几何形状、制造精度及材料相关的系数，可通过计算之后查表获取，Dpw为轴承滚圈的节圆直径。
2.3 当量等效载荷计算
汽车轴承同时受轴向和径向载荷作用时，用当量等效载荷P来表示其实际受力环境
（4）
式中：Fa为径向载荷；Fb为轴向载荷；X和Y分别为径向和轴向载荷系数，取值见表1。
表1 系数取值表
针对汽车用轮毂轴承，轴向载荷Fb远小于径向载荷Fa，即Fb/Fa≤e，所以径向载荷系数X=1，轴向载荷系数Y=0，故计算当量等效载荷P时不考虑轴向载荷，则
P= Fa （5）
计算前轮毂轴承当量等效载荷，则
Pi前= Ei前Ff i=1,2,3,4,5,6 （6）
式中：Pi前为前轮毂轴承当量等效载荷；Ei前为前轮毂轴承各路况的上下冲击附加系数。
前轮毂轴承在P1前、P2前、P3前、P4前、P5前、P6前6种路况载荷作用下，对应的行驶路况分配系数为A1前、A2前、A3前、A4前、A5前、A6前，则结合不同行驶路况，采用加权平均方法计算前轮毂轴承平均当量等效载荷Pm前为
（7）
前轮毂轴承载荷分析路况见表2，其中各系数值依据实际研发经验确定。
表2 前轴承载荷分析路况
计算后轮毂轴承当量等效载荷，则
Pi后=Ei后Ff i=1,2,3,4 （8）
式中：Pi后为后轮毂轴承当量等效载荷；Ei后为后轮毂轴承各路况的上下冲击附加系数。
后轮毂轴承在P1后、P2后、P3后、P4后4种路况载荷作用下，对应的行驶路况分配系数为A1后、A2后、A3后、A4后，则结合不同行驶路况，采用加权平均方法计算后轮毂轴承平均当量等效载荷Pm后为
（9）
后轮毂轴承载荷分析路况见表3，其中各系数值依据实际研发经验确定。
表3 后轴承载荷分析路况
2.4 疲劳寿命计算
通过前面的分析计算，汽车轴承的额定寿命计算公式为
（10）
式中：L10为可靠性为90%的基本额定疲劳寿命；Pm为平均当量等效载荷。轴承结构中的润滑系统、密封系统等结构都会影响轴承寿命，使用修正系数进行修正，则轴承寿命为
L=a1a2a3L10 （11）
式中：L为修正后的疲劳耐久寿命；a1为可靠性系数，具体参见表4；a2为轴承特性系数；a3为工况系数。
表4 可靠性系数a1
在常规润滑条件下，a2a3=1。
3 轮毂轴承疲劳耐久试验
在理论计算基础上，通过实际的台架试验测试汽车轮毂轴承的疲劳耐久性十分关键。疲劳耐久试验系统如图4所示。
图4 疲劳耐久试验台
疲劳耐久试验仪主要包括驱动电机、传动皮带轮、滚动法兰、轮毂轴承以及模拟实车装载状态下的弹簧、减振器以及转向节等结构。
轴承的疲劳耐久试验主要包括：滚道疲劳耐久试验、法兰盘疲劳耐久试验和高速耐久试验。
滚道疲劳耐久试验：按照实车条件进行安装，施加车辆横向加速度a=0.6 g时的垂直载荷和横向载荷，转速达到1 000 r/min，循环次数为2.6´106次。
法兰盘疲劳耐久试验：按照实车条件进行安装，施加a=0.8 g时的垂直载荷和横向载荷，转速达到300 r/min，循环次数为2.0´106次。
高速耐久试验：按照实车条件进行安装，施加整备质量下轴承所受载荷，转速达到2 000 r/min，试验时间30 h。
4 轮毂轴承寿命计算实例与影响因素分析
4.1 寿命计算实例
以某系列A、B两种车型后轮毂轴承为研究对象，如图5所示，对其疲劳寿命进行理论计算，相关参数见表5。
图5 A、B车型后轮毂轴承实物图
表5 后轮毂轴承寿命计算相关参数及结果
将表5中后轮毂轴承结构参数和搭载车辆参数代入式（3）、式（9），得到额定许用载荷Cr和当量等效载荷Pm，将Cr、Pm代入式（10）、式（11）计算得到A车型和B车型后轮毂轴承的疲劳寿命。
4.2 轮毂轴承疲劳寿命计算方法验证
A车型、B车型后轮毂轴承的理论计算寿命与台架疲劳耐久试验结果对比见表6。
表6 后轮毂轴承寿命对比 万km
注：。
由表6可知，理论计算值与台架试验的误差在7%以内，所建立的理论模型可以较准确地测算轮毂轴承的疲劳寿命。
4.3 质量因素对汽车轮毂轴承疲劳寿命的影响
整车质量工况见表7，利用理论计算模型，计算4个整车质量工况下的轮毂轴承寿命，研究质量因素对汽车轮毂轴承疲劳寿命的影响，如图6所示。
表7 整车质量工况 kg
图6 整车质量对轮毂轴承寿命的影响
由图6可知，随着整车质量增加，轮毂轴承的寿命呈减小趋势，而且当质量增加到一定程度时，轴承寿命的衰减速率会下降。
5 结束语
通过建立前后轴荷理论模型，得到轮毂轴承的前后轴荷，进一步推导出轴承的额定许用载荷和当量等效载荷，通过比值和修正计算，得出汽车轴承的疲劳耐久理论计算方法。
利用轮毂轴承疲劳耐久试验台，对轮毂轴承的滚道和安装法兰的疲劳耐久性进行试验研究，从试验分析的角度得到轮毂轴承的疲劳寿命数据。
采用试验研究与理论计算相结合的方法，验证了轮毂轴承疲劳寿命估算的过程及方法的正确性，并以此方法为依据，得出轮毂轴承疲劳寿命随承载质量的增加而减少。
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