前桥轴承及轮毂协同寿命提升的分析与改进研究.pdf

第 61 卷 第 8 期Vol.61 No.82023 年 8 月August 2023农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERINGdoi:10.3969/j.issn.1673-3142.2023.08.034前桥轴承及轮毂协同寿命提升的分析与改进研究林军涛，刘娟，李孟良，王桂峰，孔德利（262200山东省潍坊市诸城市义和车桥有限公司）摘要 为解决轴承使用寿命低影响整桥乃至整车安全性能的问题，通过改变轴承型号，同时改变前轮毂内、外轴承挡肩之间距离，优化前桥轮毂轴承受力位置等方式，确保轮毂内、外轴承使用寿命较基础前桥提升 1 倍以上。运用 ANSYSWorkbench 有限元分析对前轮毂同步分析，根据轴承受力位置优化前轮毂形态，使前轮毂最大应力降低 30%以上，确保零部件寿命协同提升。关键词 轴承；前轮毂；使用寿命；有限元分析 中图分类号 U463.343；U462.3 文献标志码 B 文章编号 1673-3142(2023)08-0167-03引用格式：林军涛,刘娟,李孟良,等.前桥轴承及轮毂协同寿命提升的分析与改进研究,2023,61(8):167-169.Analysis and improvement research of cooperative life promotion of front axle bearing and wheel hubLINJuntao,LIUJuan,LIMengliang,WANGGuifeng,KONGDeli（ZhuchengYiheAxlesCo.,Ltd.,Weifang262200,Shandong,China)AbstractBychangingthebearingtype,andatthesametimechangingthedistancebetweentheinnerandouterbearingblocksofthefrontwheelhub,thebearingforcepositionofthefrontaxlehubwasoptimized,andtheservicelifeoftheinnerandouterbearingsofthehubwasensuredtobe1timelongerthanthatofthebasicfrontaxle,andeffectivelysolvedtheproblemoflowbearingservicelifethatcanaffectthesafetyperformanceofthewholeaxleandeventhewholevehicle.TheANSYSworkbenchfiniteelementmethodwasusedtoanalyzethefrontwheelhubsynchronously,andtheshapeofthefrontwheelhubwasoptimizedaccordingtothebearingposition,whichcanreducethemaximumstressofthefrontwheelhubbymorethan30%andensuretheservicelifeofthepartstobepromotedcooperatively.Key wordsbearing;frontwheelhub;servicelife;finiteelementanalysis0 引言轮毂轴承作为承重和为轮毂高速转动提供精确引导的关键零部件1，其运行情况直接影响整桥乃至整车性能，只有选择合适的轴承才能满足使用要求。在为主机厂开发新平台前桥产品时，针对整车厂要求的轴承型号，运用轴承寿命理论计算发现，在承受额定载荷时，内、外轴承寿命均较低。分析其他桥厂轴承故障模式，得到该类型前桥轮毂轴承故障率较高，集中于烧蚀问题，如图 1 所示。本文以提升前桥轮毂轴承寿命为研究目的，通过优化轮毂轴承型号、受力位置，对比侧滑工况下轮毂轴承寿命理论分析，结合 ANSYSWorkbench有限元分析软件对前轮毂进行同步优化，达到零部件协同寿命提升的目的，实现前桥产品高质量开发。1 商用车前桥轮端结构型式目前，国内商用车车桥轮端普遍采用非对称式单列圆锥滚子轴承，即内、外轴承规格不同，为综合考量轴承寿命，大部分桥厂均采用“内大外小”轴承布置模式，结构如图 2 所示。收稿日期：2022-05-20图 1 轴承烧蚀图片Fig.1 Picture of bearing ablation1.轮胎2.轮辋3.制动器4.转向节5.轮毂内轴承6.轮毂外轴承7.锁紧垫片8.锁紧螺母9.前轮毂10.轮毂螺栓11.轮毂螺母12.制动鼓图 2 结构型式Fig.2 Structural type123451211109876轮胎中心线168农业装备与车辆工程 2023 年轮毂内、外轴承采用背靠背方式压装在前轮毂上，通过锁紧螺母、垫片与转向节刚性连接，依靠轮毂螺栓、螺母使前轮毂、制动鼓、轮辋形成一个刚性连接体，再与轮胎有效配合，实现前轮毂承重以及绕转向节轴旋转；刹车制动时，制动器与制动鼓产生的制动力矩使行车速度降低。2 轮毂轴承寿命分析影响轮毂轴承寿命的因素有很多，可归纳为 2个方面：一是系统外影响因素，如路况、驾驶操作等；二是系统内影响因素，如载荷分布和轮毂轴承的具体布置等2。目前对车桥零部件主要分析冲击、制动、侧滑 3 种工况。侧滑工况最为恶劣，侧滑工况下前桥受力情况如图3所示，当汽车向右侧滑时，前桥承受地面的支承反力 ZL、ZR和侧滑反力 YL、YR，整桥的载重 G 和侧滑力 G。2.1 车轮的支承反力 平衡方程为/,/,ZBG BGhZBG BGhZGBhZGBh222121LgRgLgRg$=-=+=-=+bbll(1)车轮的地面侧滑反力,YZYZYGBhYGBh2121LLRRLgRg$=-=+bbll(2)式中：G汽车满载静止于水平路面时前桥给地面的载荷，N；hg汽车满载时的质心高度，m；轮胎与地面间的侧向附着系数，一般取 0.7；B车轮的轮距，m。因为汽车质心高度需要根据使用情况随时变化，难以选取准确、合理的数值，计算时可取汽车向右侧倾翻的极限情况，此时左侧车轮受力为 0，可得3：ZGYGRR=(3)2.2 轮毂轴承的径向支承力侧滑时内、外轮毂轴承对轮毂的径向支承力可根据车轮的受力平衡求出4，受力分析如图4所示。图 4 中：r 轮胎滚动半径；L1 轮辋偏距；L2 轮毂轴承孔间距；L3 轮毂大端面到内轴承端面距离；S1R 内轴承径向力；F1R 内轴承轴向力；S2R 外轴承径向力；F2R 外轴承轴向力；Fa 轴向力；a S1R至车轮中心线的距离；b S2R至车轮中心线的距离。依据力和力矩的平衡方程S1R-S2R=ZR Fa-YR=0(4)S1R（a+b）=rYR+bZR，S2R（a+b）=rYR-aZR求得内、外轴承的支承力为,SabrYabbZSabrYabaZRRRRRR12=+=+-+(5)由于圆锥滚子轴承接触角的存在，导致轴承派生出轴向力 FR=SR/2Y(6)式中：Y轴向动载荷系数。对成对安装的角接触轴承轴向载荷当 F1R Fa+F2R 时，F2R=S2R/2Y，F1R=Fa+F2R当 F1RFa+F2R时，F1R=S1R/2Y，F2R=F1R-Fa2.3 轮毂轴承的径向当量动载荷对圆锥滚子轴承径向当量静载荷当 F/S e P=S(7)当 F/S e P=0.4S+YF2.4 轴承寿命计算轴承寿命计算公式为LDPC10r=fbl(8)式中：L10 轴承寿命，km；D 轮胎直径，mm；C额定动载荷，kN；滚子轴承寿命指数，=10/3。通过优化轮毂轴承型号、更改轮毂轴承间距，对比分析改进前、后轮毂轴承寿命，具体结果见表1表 3 所示。图 3 前桥受力情况Fig.3 Force on front axleGGYRZRZLYL轮距 B图 4 轮毂轴承受力Fig.4 Force on hub bearingL2YRrZRL1L3a bF2RF1RFaS2RS1R169第 61 卷第 8 期表 1 轴承参数对比Tab.1 Comparison of bearing parameters轴承型号Yea轴承动载荷/kN用于位置备注303111.70.3524.9152轮毂外原配对型号303131.70.3528.7195轮毂内323111.70.3530.4202轮毂外新配对型号323131.70.3534.3260轮毂内表 2 优化参数对比Tab.2 Comparison of optimized parameters对比项目30311/3031332311/32313轮胎半径 r/mm507507轮辋偏距 L1/mm161161轮毂轴承孔间距 L2/mm91.573轮毂大端面到内轴承端面距离 L3/mm141.5139.5内轴承受力中心到轮胎中心线距离 a/mm9.212.8外轴承受力中心到轮胎中心线距离 b/mm135.9124.9表 3 轴承寿命对比Tab.3 Comparison of bearing life轴承型号优化前寿命优化后寿命提升水平轮毂外轴承3031132311+140%2699km6495km轮毂内轴承3031332313+124%5262km11809km3 前轮毂优化为保证前桥现有接口尺寸不变，在轮毂轴承采用加宽型号后，需将轮毂轴承孔间距 L2、轮毂大端面到内轴承端面距离L3相应减小（如图5所示），运用 ANSYSWorkbench 分析轮毂轴承寿命大幅提升条件下，前轮毂应力是否满足材料性能要求。将三维模型导入 ANSYSWorkbench 静力分析模块 StaticStructural，设置 QT500-7 材料特性，密度 7000kg/m3，弹性模量 162GPa，泊松比 0.293。同样在极限侧滑工况下模拟前轮毂受力5-6，以轮辋安装端面建立局部直角坐标系，通过轮胎螺栓安装孔进行远程加力（同车轮受力，ZR=G，YR=G）,受力情况如图 6 所示。计算分析结果如图7所示。通过受力分析对比，两者应力趋势一致，轮胎螺栓安装孔附近为最大应力点，分别为 515.6MPa、332.2MPa，优化后应力明显降低，降幅达 35.6%。4 结论本文对前桥轮毂轴承寿命进行了理论分析和改进研究，主要结论：（1）改变轮毂轴承型号、优化轴承受力位置、加大额定动载荷 C 与当量动载荷 P的比值，理论计算寿命提升 1 倍以上，在满足装配工艺、保证轴承游隙的条件下，可有效降低轮毂轴承烧蚀故障；（2）前轮毂相应更改轴承孔位置，受力位置的改变使最大应力降低 30%以上，延长了前轮毂使用寿命。（3）通过协同分析、改进，以期提升产品整体质量水平，降低主机厂售后索赔费用。参考文献1王秋成,张召明,庞启兴,等.汽车轮毂轴承延寿技术途径浅析 J.轴承,2007(11):54-57.2 徐颖,李跃平,侯东,等.汽车轮毂轴承的计算及失效形式分析 J.现代制造技术与装备,2009(6):49-50,58.3 陈长波,时晓军,孔德利.载货车前桥轮毂轴承走外圈故障的有限元仿真分析 J.农业装备与车辆工程,2018,56(7):98-101.4 刘惟信.汽车车桥设计 M.北京:清华大学出版社,2006.5 隋景玉,刘均伟,王国元,等.重卡车桥轮毂轻量化设计及强度分析 J.中国汽车,2019(9):43-45.6徐爱娟,周其凤,程士顺.中重卡前桥轮毂轻量化设计及 CAE分析 J.安徽科技,2015(10):45-46.作者简介 林军涛（1985-），男，工程师，研究方向：机械设计制造及其自动化，前桥及其零部件设计与研发。E-mail：优化前优化后图 5 前轮毂优化Fig.5 Front hub optimization图 6 受力情况Fig.6 Force conditionXZYA:前轮毂静力分析RemoteForceTime:1s2022-05-1917:34RemoteForce:66990NComponents:-54880,-3416,0NLocation:507,-161,0mm（a）（b）图 7 应力情况Fig.7 Stress condition（a）优化前应力（b）优化后应力EquivalentStress2Type:Equivalent(von-Mises)StressUnit:MPaTime:1EquivalentStress2Type:Equivalent(von-Mises)StressUnit:MPaTime:1515.6Max458.34401.08343.81286.55229.29172.03114.7657.5020.23973Min332.23Max295.34258.45221.56184.67147.78110.8974.00237.1120.22193MinMaxMax林军涛等：前桥轴承及轮毂协同寿命提升的分析与改进研究