基于ADAMS的轮毂轴承噪音寿命的分析

雷良育,胡永伟,刘国辉,荆家宝

(1.浙江农林大学 工程学院，浙江 杭州 311300;2.浙江兆丰机电股份有限公司，浙江 杭州 311200)

轮毂轴承是全车的支撑点，是连接车轮和底盘的重要联接件，其质量好坏直接关系到全车运行的平稳性[1]。各个轴承研究机构和轴承公司都将轮毂轴承设计当作其技术储备的重要内容之一。

近年来，随着轮毂轴承技术的进步，尤其是轴承钢和加工技术的成熟，轮毂轴承的疲劳寿命和强度寿命已经不再是局限轮毂轴承寿命的瓶颈[2]，于是各国轴承协会和各大轮毂轴承制造商提出轮毂轴承噪音寿命的概念，将轮毂轴承从正常的振动噪音至发出异常振动噪音的时间称为噪音寿命。利用轮毂轴承的噪音寿命概念，可将轮毂轴承的寿命判别条件由其疲劳损坏改为振动分贝达到一定值。

轮毂轴承的异常振动是预判轴承失效的重要因素之一[3]。美国的轴承协会ABMA和中国的轴承工业协会CBIA，在对我国轴承生产商采购轮毂轴承时，都要求各生产商出具振动试验报告和磨损振动数据报告。由此可以看出振动噪声对评判一款轮毂轴承的好坏和预判轮毂轴承失效的重要性。

1 ADAMS在轮毂轴承动力学分析中的运用

轮毂轴承的正常振动噪音与轴承的结构、质量、载荷等因素有关[2]，每一款轮毂轴承的额定噪音与失效噪音均不同，因此不能利用另一款轮毂轴承的额定噪音去确定既定型号的轮毂轴承的额定噪音，同样也不能利用另一款轮毂轴承的失效噪音去判断既定轮毂轴承失效与否。所以有必要找到一种方便、有效的求取额定噪音与失效噪音的方法，为试验机设计和装配生产线的设计提供噪音寿命的参考标准。

ADAMS软件是一款针对机械动力学的分析平台，特别是对机械振动的分析，有专门的后处理工具窗口[4]。轮毂轴承是运动学中最具代表性的标准件之一，在各个研究机构和轴承生产商研制轮毂轴承过程中，ADAMS动力学分析都是轮毂轴承设计必不可少的环节。

ADAMS软件中有专门针对运动学分析的插件，如系统控制模块Controls、振动模块Vibration、耐久性模块Durability、机电一体化模块Mechatronics，这些模块可以搭建各种仿真平台、设计各种仿真实验，实现对设计的轴承进行各种仿真数据的提取。

2 ADAMS在轮毂轴承振动噪声分析中的运用

2.1 建立轮毂轴承仿真环境

以重卡轮毂轴承HZF1558、一代轮毂轴承428236-BB、二代轮毂轴承HZF430-BR-2B、三代轮毂轴承HZF488B-3T 4种型号的轮毂轴承为研

究对象，其四大件的材料和接触属性如表1所示，三维模型如图1所示。将 4种型号的轮毂轴承的三维模型导入ADAMS，建立仿真环境、设计试验参数、提取重心点到地面的振动加速度，得到图2所示的正常工况下的4种型号的轮毂轴承的振动加速度曲线。

将4种型号轮毂轴承四大件中的外圈、内圈、滚子进行裂纹破坏[3],用同样的办法得到图3～图6所示4种型号轮毂轴承在异常工况下的振动加速度曲线。

表1轮毂轴承四大件的材料和接触属性
Table1Materialsandcontactpropertiesofthefourmajorpartsofthehubbearing

属性外圈滚动体保持架内圈 材料GCr15GCr15强尼龙GCr15 连接旋转接触接触固定 驱动/(r·min-1)700～1000从动从动固定 径向载荷/N 95550 轴向载荷/N 28665 重力加速度/(m·s-2) 9.8 接触刚度/(N·mm-1)9000090000380090000 接触阻尼系数50500.6850 穿透深度/mm0.0150.0150.2000.015 静摩擦系数0.080.080.130.08 动摩擦系数0.050.050.090.05 恢复系数0.130.130.20.13

图1 轮毂轴承三维模型图Fig.1 Three-dimensional model of wheel bearing

a 重卡零游隙

b 第一代轮毂轴承

c 第二代轮毂轴承

d 第三代轮毂轴承图2 正常工况下4种型号轮毂轴承的振动加速度曲线Fig.2 Vibration acceleration curves of four types of hub bearings under normal working conditions

a 外圈损坏零游隙

b 内圈损坏零游隙

c 滚动体损坏图3 异常工况下重卡轮毂轴承HZF1558的振动加速度曲线Fig.3 Vibration acceleration curve of outer ring, rolling element and inner ring of heavy truck wheel bearing HZF1558

a 外圈裂纹

b 内圈裂纹

c 滚动体裂纹图4 异常工况下一代轮毂轴承428236-BB的振动加速度曲线Fig.4 Vibration acceleration curve of the outer ring, rolling element and inner ring of the first generation of hub bearing 428236-BB

a 外圈裂纹

b 内圈裂纹

c 滚动体裂纹图5 异常工况下二代轮毂轴承HZF430-BR-2B的振动加速度曲线Fig.5 Second-generation wheel bearing HZF430-BR-2B outer ring, rolling element, inner ring damage vibration acceleration curve

a 外圈裂纹

b 内圈裂纹

c 滚动体裂纹图6 异常工况下三代轮毂轴承HZF488B-3T的振动加速度曲线Fig.6 Three-generation wheel bearing HZF488B-3T outer ring, rolling element, inner ring damage vibration acceleration curve

2.2 对提取曲线进行振动噪声分析

利用公式(1)对4种型号轮毂轴承曲线进行振动分贝分析[5]，得到表2试验数据。由表2可以看出，外圈损坏、内圈损坏、滚动体损坏的轴承的振动噪音依次增大，且都远大于运行正常的轴承的噪音(1.5倍以上)。

(1)

式中：B为振动噪音，db;A为振动加速度曲线幅值的加权分均，mm/s2；g为重力加速度，mm/s2。

表2 4种型号轮毂轴承的振动噪音
Table2VibrationnoisedataofvariousstatesofHZF1558, 428236-BB,HZF430-BR-2BandHZF488B-3Twheelbearingsdb

轮毂轴承状态重卡振动一代振动二代振动三代振动正常运行40.16.31.9 5.2外圈损坏68.89.73.7 8.13内圈损坏94.237.76.022.1滚动体损坏158.8132.2143.6140.2

3 总结

利用ADAMS动力学仿真平台可以真实可靠地得到轮毂轴承正常运行的振动噪音分贝值和疲劳损坏后的振动噪音分贝值，每一款轮毂轴承异常振动分贝值均大于正常值的150%以上，其中重卡轴承的外圈损坏失效振动分贝值达到了68.8，是正常值40.1的172%；内圈损坏失效振动值达到94.2，是正常值40.1的235%；滚动体损坏失效振动值达到158.8，是正常值40.1的396%。显然，不同型号的轮毂轴承失效振动噪音分贝值与正常振动噪音分贝值的差异程度，与各轮毂轴承的结构、质量有关。因此，可以利用这种差异设置检测传感器的分贝值，且不同型号的轮毂轴承的正常振动噪音分贝值不同，要因型而定；失效振动噪音分贝值要设置为正常振动噪音分贝值的1.5倍。