第3代轮毂轴承单元沟道挡边高的设计分析

2016-07-25汪峰

轴承 2016年2期

汪峰

(浙江万向精工有限公司，杭州 311202)

随着越来越多高性能轿车的开发，第3代轮毂轴承单元的应用越来越广泛。由于轿车使用条件的多样性和不确定性，轮毂轴承单元需要有较高的抗倾覆力矩能力。轮毂轴承单元的沟道挡边高的设计至关重要,在设计中常被忽略。挡边高设计不足,会导致汽车转弯过程中出现接触椭圆截断现象，导致接触应力急剧上升[1]。挡边过高会使成本增加，比如材料多余和加工困难等。文中通过平衡方程求解轮毂轴承单元在轴向力、径向力及力矩作用下钢球的法向载荷、实际接触角和转角，结合求得的接触椭圆长半轴来计算轮毂轴承单元所需的沟道挡边高。

1 钢球载荷和接触角计算

轮毂轴承单元在汽车转弯过程中受到径向力和轴向力的联合作用，其径向力和轴向力可通过汽车侧翻时的力矩平衡方程求解[2]。根据装车情况，第3代轮毂轴承单元外圈一般固定在车身上，内圈与凸缘沟道的中心将会沿外部径向力Fr、轴向力Fa的方向出现径向位移δr、轴向位移δa，由于径向力和轴向力与轴承中心往往存在一定的距离，故径向力和轴向力联合产生的弯矩M导致内圈和凸缘的轴线出现偏转角θ，如图1所示。

1—外圈内侧沟道;2—外圈外侧沟道;3—凸缘沟道;4—内圈沟道;5—偏移后的中心点;6—偏移后的轴线;7—原轴线;8—原中心点

只需求解轴承外部的轴向力、径向力、弯矩与轴向位移δa、径向位移δr、转角θ的关系式，即可得到轴承的法向载荷FN、实际接触角α和转角θ[3]。

2 挡边高计算

为精确计算轴承单元的法向载荷，除采用文献[3]的方法外，还需对载荷-位移系数K进行精确求解，从而更精确计算接触椭圆长半轴。

钢球与沟道的接触椭圆长半轴[4]为

(1)

K=2.15×105×∑ρ-1/2(δ*)-3/2，

式中：FN为接触载荷；∑ρ为曲率和；a*为量纲一的接触椭圆长半轴；δN为接触变形量；δ*为量纲一的接触变形，由曲率差F(ρ)决定,通过对文献[4]中的量纲一的参数表进行插值获得较精确值。

内圈或凸缘沟道最小挡边高为

(2)

外圈沟道的最小挡边高为

(3)

式中：ri为内圈或凸缘沟道的曲率半径；re为外沟道曲率半径；α为实际接触角；θ为凸缘和内圈受载后的转角；ai为内圈或凸缘接触椭圆的长半轴；ae为外圈接触椭圆的长半轴。

由(2)式、(3)式可知，最小挡边高与沟曲率半径r、实际接触角α、凸缘的转角θ、接触椭圆长半轴a有关，而α，θ和a由径向力、轴向力和弯矩决定。弯矩由径向力、偏距、轴向力和滚动半径的方程决定[3]；侧向加速度值是影响径向力和轴向力的显著因素[5]；而轴承预载荷作为内载荷对最小挡边高计算也有一定影响。

3 计算结果及分析

以某第3代轮毂轴承单元为例，车型及轮毂轴承单元参数分别见表1和表2。计算最小挡边高与正侧向加速度、预载荷、曲率系数、初始接触角、偏移量的关系。

表1 车型参数

表2 轮毂轴承单元的相关参数

在相同的预载荷2 kN情况下，沟道的最小挡边高随正侧向加速度(以重力加速度g为单位)的变化曲线如图2所示。由图可知，沟道最小挡边高随正侧向加速度增大而显著增大。

图2 侧向加速度与最小挡边高的关系

在相同的正侧向加速度0.6g的情况下，沟道的最小挡边高随预载荷的变化曲线如图3所示。

图3 预载荷与最小挡边高的关系

由图3可知，沟道最小挡边高随预载荷增大而减小。减小预载荷，需要增大挡边高以避免接触椭圆被截断。

在相同的预载荷2 kN和正侧向加速度0.6g情况下，沟道最小挡边高随初始接触角的变化曲线如图4所示。由图可知，沟道最小挡边高随初始接触角增大而减小，故减小初始接触角需要更高的沟道挡边高来避免接触椭圆被截断。

图4 初始接触角与最小挡边高的关系

在相同的预载荷2 kN和正侧向加速度0.6g情况下，沟道最小挡边高随偏移量的变化曲线如图5所示。由图可知, 沟道最小挡边高随偏移量增大而减小，这是由于径向载荷与偏距联合产生的弯矩抵消了部分向内的轴向载荷与滚动半径产生的弯矩，轮毂单元受到的弯矩总和逐步下降，而沟道挡边高的要求也相应下降。同理滚动半径减小,弯矩总和减小，沟道挡边高的要求也会相应的下降。