轿车轮毂轴承微动磨损试验分析.pdf

第?卷第?期?年?月机械工程学报?!?#?轿车轮毅轴承微动磨损试验分析张雪萍姚振强?上海交通大学机械与动力工程学院上海?摘要?利用自行设计的轿车轮毅轴承径向式微动磨损试验 系统,对三组轮毅轴承进行试验。试验轴承滚道上出现宏观条状磨损痕迹,轴承次表面约?林?处出现了连续微孔,严重微动磨损的轴承次表面 出现了近似平行于滚道的微裂纹。同时,模拟径向载荷下轮毅轴承 的内部?应力分布,结果表 明,轮毅轴承载荷区出现条状应力?应变峰的幅值波动。在此基础上,结合轿车行驶时轮毅轴承的承载特点,提出了轮毅轴承广义复合微动磨损机理模型。该模型为减缓轮毅轴承微动磨损程度和提高轴承可靠性提供了新的途径。关键词?轮毅轴承微动磨损应力分布轿车机理模型中图分类号?月?舀前悬挂焊接总成微动磨损是在结构振动或交变应力作用下相互配合并紧密固定在一起的部件之间相互接触并发生微 小振幅的相对运动所引起 的磨损现象?,?。根据运动方式不同,微动磨损可分为平移式、滚动式、径向式和扭动式微动,目前,文献报道的绝大部分研究工作都集中在平移式微动方面。后?种微动形式有关的研究工作报道却相当少,而由两种以上微动形式形成的复合式微动更为复杂,因而这方面的研究工作也就更少?,?。微动磨损是轿车轮毅轴承的主要失效形式之一?。本文设计了轮毅轴承径向式微动磨损试验系统,进行三对轮毅轴承的微动磨损试验。同时,对轮毅轴承系统的?力学模型?,施加试验条件的径向载荷,模拟径向载荷下轮毅轴承 的?应力分布,探讨径 向载荷幅值变化与微动磨损之间的力学关系。在此基础上,结合轿车典型行驶状态下轮毅轴承的承载特点,以轮毅轴承承载区中心的滚动体为例,建立轮毅轴承径向式、平移式和滚动式广义复合微动磨损的机理模型。该模型将为进一步研究抗微动磨损提供新的思路和途径。支承辊垂直加载作动器鲡鲡鲡控制柜图?微动磨损试验原理图前悬挂焊接总成冷却系统电动机平衡杆垂直加载作动器固定支架图?微动磨损试验系统装置轮毅轴承径向式微动磨损试验?试验系统轮毅轴承径 向式微动磨损试验系统原理如图?所示?前轮毅轴承悬架与固定支架联结,电动机带动轮毅轴承旋转,垂直加载作动器在液压系统的控制下上下运动,带动两个支承辊向轮毅轴承同时施加径向静载荷和动载荷。图?为微动磨损试验系统装置。,上海市汽车工业科技发展基金资助项目?。?收到初稿,?收到修改稿?试验工况根据轿车轮毅轴承的实际承载特 点,径向式微动磨损试验分为两个阶段?模拟轿车被动运输过程 中,轮毅轴承仅承受的径 向载荷作用。此阶段,轮毅轴承不旋转,由作动器液压系统施加垂直静载荷?模拟车重等?和动载荷?模拟轿车运输过程中轮毅轴承振动载荷?,作动器加载频率为?,持续振动?万次。?模拟轿车运行过程中,轮毅 轴承 承 受实际径向载荷 的状况。电动机以?的工作转速带动三对轮毅轴承分别转动?万转、?万转和?万转,在轮毅轴承旋转的同时由作动器以?的加载频率向轮毅轴承施加垂直静载荷?和动载荷?。试验系统动载荷由?系统控制,动载部分为机械工程学报第?卷第?期正弦 曲线,作动器加载频率避开了前桥总成的固有频率?一?。轮毅轴承微动磨损失效通过测量轴承外 圈温度?热电偶测量外圈温度超过?“?时,试验 自动停止?并辅助分析轮毅振动信号的功率谱来判别。?试验结果拆卸下的试验轮毅轴承的承载区出现了轻微的条状磨损痕迹。宏观失效形式表现为局部滚道上的等间距轻微压痕,压痕间距沿轴承周向与滚动体间距一致。微观失效形式的样品取样于发生微动磨损轮毅轴承的内、外圈滚道,微动磨损的表面形貌和截面的?如图?所示。其中,图?为轮毅轴承微动磨损的初始阶段,微动表面上出现了长度小于?脚的粘着、撕裂及磨屑?图?为轮毅轴承微动磨损初始阶段截面微观特征,在轴承亚表层约?一?协?处,出现连续性孔穴,与亚表层的位错有关?图?为轮毅轴承微动磨损的发展 阶段,轴承亚表层约?一?阿处,出现主方向大致与轴承表面平行 的裂纹?图?为轮毅轴承微动磨损的严重阶段,近似平行于轴承表面的裂纹出现向轴承表面扩展的微裂纹,微裂纹导致轴承产生脱落体,脱落体将进一步促使次表面微裂纹向轴承表面扩展,最终导致严重的微动磨损,即压痕出现。?径向载荷下轮毅轴承三维应力分布利用文献?建立 的试验轿 车前轮毅轴承系统的?力学模型,模拟径向式微动磨损试验的力学条件?前悬架上端进行刚性约束,轴承内、外 圈和滚动体采用相对约束和接触单元,径向外载荷为?。计算得到的轮毅轴承内、外圈承载区的?应力分布如图?所示,图中的横坐标和纵坐标分别代表轮毅轴承内?外?圈承载区?约占轴承包角 的?的周向和轴向长度?应力分布坐标轴代表内?外?圈载荷区单位面积上的应力幅值?。黔者己荟、七姆巾只侧轴承周向或?内圈承载区?应力分布?盏、七姆李只侧胶木连续孔穴轴承表面轴承实体轴承周 向试?外圈承载区?应力分布?林?表面形貌的?林?初始阶段截面的?胶木轴承表面裂纹轴承实体裂纹轴承表面胶木图?前轮毅轴承内外圈三维应力分布由图可见,轮毅轴承内?外?圈承载区的?应力分布出现条状应力峰,位置与滚动体相对应。滚动体与内外圈接触区的应力峰幅值不等,弹性变形量也不同。轿车行驶过程中,由于地面不平度的影响,轮毅轴承将同时承受垂直静载荷和动载荷。在垂直动载荷作用下,滚动体与内?外?圈滚道 间的径向弹性变形量将反复变化,从而引起滚动体与滚道间发生微米级径 向微动。这是轿车轮毅轴承不可避免地发生径向式微动磨损 的内在原因。?协?协?发展阶段截 面的?严重阶段截面的?图?微动磨损的?轮毅轴承广义复合微动磨损机理?轮毅轴承复合微动磨损分析轿车被动运输过程 中,轮毅轴承承受垂直载荷,轮毅轴承滚动体将发生径 向式微动?当转弯或左右摆动时,轮毅轴承将承受侧向载荷?弯矩作用,?年?月张雪萍等?轿车轮毅轴承微动磨损试验分析滚动体将发生相对于内?外圈的平移式微动?当加速或减速 时,轮毅轴承还同时承受纵向载荷,滚动体相对于内?外?圈滚道有转动趋势,滚动体与滚道之间将发生滚动式微动。轿车运输过程中的复合微动将首先引起轴承微动磨损痕迹或预裂纹。运输到销售地,轿车行驶时,滚动体每压过一个微动条纹或预裂纹区,就对微动磨损处产生一次冲击或碾压。若干次冲击或碾压后,使轴承次表面的微裂纹向表面扩展,引起局部微粒脱落,从而诱发更严重的微动磨损,并最终导致疲劳失效。由此可见,避免轿车运输过程 中的微动或降低微动磨损幅值是避免轮毅轴承发生严重失效的前提。?广义复合微动磨损机理模型由轮毅轴承径向式微动磨损试验和该试验条件下的轴承?应力模拟结果,建立起轮毅轴承径向式微动磨损机理模型?文献?详尽地探讨了轮毅轴承的轴 向式微动磨损机理。结合轿车实际行驶状况下轮毅轴承的微动型式,本文以轮毅轴承承载中心的滚动体为例,提 出轮毅轴承广义复合微动磨损机理模型,如图?所示。该机理模型,为进一步探讨复合载荷的频率、幅值、各种载荷比值等对轮毅轴承微动磨损程度的定量影响提供了依据。承的?应力分布模拟结果,提出了轮毅轴承径向式微动磨损机理。在此基础上,分析轿车运输和行驶阶段,轮毅轴承的实际受力状况,提出了轮毅轴承广义复合微动磨损机理模型。该模型将为进一步研究轮毅轴承抗微动磨损机理提供新的思路和途径。参 考 文献邵荷生,摩擦与磨损?北京?机械工业出版社,?李 东紫?微动损伤与防护技术?陕西?陕西科学技术出版社,?,?,?!?,?,?,?一?周仲荣,罗唯力,刘家浚?微动摩擦学的发展现状与趋势?摩擦学学报,?,?一?俞亚波,姚振强,张雪萍?轿车前轮轮毅轴承 失效统计分析,机械设计与研究,?,?碑?张雪 萍?轿车轮毅轴承失效机理的理论与实验研究?仁博士学位论文?一巨海?上海交通大学,?外圈滚道滚动体?!?!?#?径向式微动?滚动式微动户平“式微“?了?印?图5轮毅轴承微动磨损机理模型3.3轮毅轴承抗微动磨损的途径探讨抑制轿车运输过程中轮毅轴承的复合微动或降低微动幅值,是提高轮毅轴承可靠性的重要因素。因此,轮毅轴承抗微动磨损的途径,是定量研究复合载荷幅值、频率等对微动磨损程度的贡献量,最终从设计、制造、装配等具体环节提出轮毅轴承的抗微动磨损措施 6。4结论径向式微动磨损试验表明,轮毅轴承局部滚道上道出现了间隔与滚动体相应的条状轻微磨损痕迹,微观上在磨损轴承亚表面有近似平行轴承表面的连续微孔或预裂纹。结合试验受力条件下轮毅轴A bstraet:Anewtestri gtomeasureradiealf ret t ingwea rofhubbea r ing 15int rod ueed,bywhiehthree一grouPbea ringsa ret ested.Ittunl sou ttha tmae rof ret tingwea rgr atingstakePla ceinbea ringra cewa y,micro一叩er t Uresa pPea reontin uouslya bout20协mu nde rbea ri ngra e eway,a ndmiero一era ckPa ral lelst obe明ngr aceway more severef ret tingwea r.Followed,t he3Dstressdist ribu t ionofhubbea r ing15si mula tedu nderradiealloa d.T hesimul a tiondemonst ra tess Pa ced3Dst ressst ri Pea nditsall lPlitude.BasedontheexPeri men t,st r essdistri butionsim ulationofhubbea ringsu nde ra utomobi le,5ty Piealr unningeon di t ions,ageneralizedm ulti Plef ret tingwea rmeehanismmodelf orhu bbea rl n g15ProPosed.ThemodelProvi desane w叩Proaehf or al leviatingf ret ting wea randenhaneingtherelia bi l it yof llub bea r i n gs.K ey words:H ub bea r ingFret ting wearStr essdistri butionA l l tomotiveMeeha nism model作者简介:张雪萍,女,197 2年出生,上海交通大学工学博士。主要研究方向为旋转部件失效机理的理论与试验研究