基于Adams 的轴承摩擦力矩动力学仿真与验证*

黄佳男 王建航 范零峰 雷良育，2

（1.浙江农林大学；2.浙江兆丰机电股份有限公司）

轮毂轴承主要用于作为汽车车轴处的质量承担和为轮毂的转动提供精确引导的零部件，既承受径向载荷又承受轴向载荷，是汽车载重和转动的重要组成部分，关乎汽车安全和性能。摩擦力矩作为轮毂轴承单元的1 项重要性能指标，直接影响到轴承及轴类零件的使用寿命和传动效率，在轮毂轴承的加工过程中，需要经过粗磨、精磨、粗超精及精超精等大量工序来降低轮毂轴承接触中的摩擦力，摩擦力矩检测也是轮毂轴承出厂综合性检测的一项重要指标。因此，在轮毂轴承的分析优化环节中，要对轮毂轴承进行优化，首先就需要对摩擦力矩的组成形式及产生方式进行分析。基于以上问题，文章提出1 种动力学仿真方法，通过Adams 动力学仿真对理论研究中的轮毂轴承摩擦力矩进行分析，验证轮毂轴承结构的合理性，经过台架试验验证，达到预想的效果。

1 重卡轮毂轴承单元的组成

重卡是重型卡车的简称，相比家用小型汽车，重型卡车的工作环境更加恶劣，承载的力更大。因此重卡轮毂轴承各部分间的配合比一般小型汽车轮毂轴承更为精密，在结构上比后者大2 倍以上。某公司研发生产了一款500 000 km 免维护的重卡轮毂轴承单元，并实现整个集成化的单元质量较以前产品减轻110 kg[1]，由于结构与密封唇形状的改变，该轮毂轴承的摩擦性能需要重新测定。

该重卡轮毂轴承的主要组成部分由内圈、外圈、滚动体、保持架、锁扣扭、重卡车架(球壳)及螺栓等组成。根据汽车轮毂轴承的装配要求和特点，轴承需要能够同时承受较大的轴向载荷和径向载荷，因此重卡轮毂轴承单元内部装配双列图锥滚子轴承。其工作特点主要为:将重卡轮毂轴承单元装配在重卡的车桥主轴上，轴承的内圈固定在主轴上，由汽车控制车桥主轴旋转带动重卡球壳旋转，从而带动外圈和滚子依据旋转速度旋转，重卡的轮胎装在螺栓上从而驱动重卡行走[2]。重卡轮毂轴承的三维图，如图1、图2 所示。

图1 重卡轮毂轴承三维图

图2 重卡轮毂轴承爆炸图

2 轴承摩擦力矩计算理论

轴承的内部充满了摩擦阻力，克服摩擦阻力使得轴承的内外圈产生相对转动的外加的力矩总和即为轴承的摩擦力矩[3]。在测量摩擦力矩时，启动摩擦力矩和匀速旋转摩擦力矩往往被作为评定轴承性能的重要技术指标，摩擦力矩是体现整个轮毂轴承加工和装配的综合性指标，轴承零件的制造工艺和装配精度都会影响摩擦力矩的数值大小。一般将轴承摩擦力矩产生原因归于以下4 点[4]。

1）滚动摩擦阻力：由于轴承的材料存在弹性滞后现象，从而会产生纯滚动摩擦。2）轴承内外圈及滚动体接触处的滑动摩擦力：内外圈及滚动体接触过程中会产生差动滑动、自转和倾斜等，从而引起的微小滑动，进而产生滑动摩擦力。3）滚动体与保持架兜孔间的滑动、保持架与套圈引导表面间的滑动以及滚子端面与套圈挡边之间的滑动摩擦力：滚子端面与套圈挡边之间的滑动摩擦对属于双列圆锥滚子轴承的重卡轮毂轴承的影响尤其重要。4）搅动阻力引起的粘性摩擦阻力：由于润滑剂的作用，在轴承运转时产生。

SKF 公司根据这几个方面的摩擦力矩影响情况推出了目前最常用的轴承摩擦力矩计算公式，非常适用于中等负载、润滑良好及中等转速等环境条件下。该公式如下[5]：

滞后性-滚动摩擦力矩：

式中：Grr—与轴承类型、尺寸、所受载荷相关的变量；

n—轴承转速，r/min；

v—润滑油运动粘度，mm2/s。

接触点的线速度不同-滑动摩擦力矩：

式中：Gs1—与轴承类型、轴承直径、所受载荷相关的变量；

μs1—滑动摩擦因数，与润滑脂材料相关。

密封圈-内外圈摩擦：

式中：Ks1—轴承类别的常量；

Ks2—轴承类别、密封圈形式相关的常量；

ds—肩部直径，mm；

β—轴承类型、密封圈形式相关常量。

润滑脂搅拌阻力：

式中：h—油膜厚度，mm；

αoil—粘压系数，mm2/s；

S—油膜润滑系数；

Dm—轴承节圆直径，mm；

aε、ai—内外滚道膨胀系数；

Z—钢球粒数。

3 重卡轮毂轴承动力学仿真分析

3.1 重卡轮毂轴承单元三维建模

本文针对某公司开发的13T 免维护重卡轮毂轴承进行Solidworks 三维建模，轴承主参数如表1 所示。

表1 重卡轮毂轴承主参数

3.2 材料属性与约束设置

材料选择:根据重卡轮毂轴承实际生产资料，分别对重卡轮毂轴承各部件的材料参数进行设置，具体材料参数如表2 所示。

表2 圆锥滚子轴承各部件材料参数表

约束设置：重卡在行驶过程中，轮毂轴承内圈固定，外圈随着球壳转动。在内圈与大地之间添加平行副，在外圈与球壳之间添加固定副，在球壳与大地之间添加旋转副[6]，分别添加滚子与内圈、滚子与外圈、滚子与保持架之间的接触，具体约束类型与约束数量如表3所示。

表3 重卡轮毂轴承各零部件约束

3.3 Adams 动力学仿真分析

在Solidworks 软件中完成三维建模后，将Solidworks 中的三维模型导入到Adams 动力学仿真软件，该操作需要先将Solidworks 装配体保存为x_t 格式。打开Adams 软件的File Type 选项，文件类型选择Parasolid，在file to read 选项框中双击，选择保存的x_t 文件，在Model name 中右键，依次选择MODEL，creat，点击ok完成导入。为重卡轮毂轴承单元添加模拟真实情况下所存在的接触，选择内圈固定，外圈旋转，并为整体添加约束副和转速，由于该模型接触较多，且滚动体转动条件复杂，可以先在Settings-Solver-Executable 中将Thread Count（线程数）设置为8 线程，从而加快求解速度。点击Simulation 模块进行动力学仿真，将时长设为1 s，步数设为2 000 步。设置完成后如图3 所示[7]。

图3 ADAMS 动力学仿真界面

3.3.1 启动摩擦力矩仿真

为了得到启动摩擦力矩的仿真值，设置转速为5 r/min 模仿轴承从静止开始转动的过程。Adams 动力学仿真完成后，按F8 进入Adams PostProcessor 模块，其摩擦力矩如图4 所示，轴承在刚刚启动经过一个过冲量后摩擦力矩最大，随后慢慢平稳得到启动摩擦力矩。

图4 启动摩擦力矩仿真结果

去除初始过冲量数据后，将稳定后的数据导入Matlab 处理，为了减少误差，此项步骤重复操作10 次，取出每次仿真的最大摩擦力矩和启动摩擦力矩，取平均值。处理得到转速稳定部分的平均值为12.17 N·m。

3.3.2 旋转摩擦力矩仿真

旋转摩擦力矩也称动态摩擦力矩，即高转速稳定状态下的摩擦力矩，为了得到启动摩擦力矩的仿真值，设置转速为600 r/min，模仿轴承匀速转动的过程[7]。Adams 动力学仿真完成后，按F8 进入Adams PostProcessor 模块，其摩擦力矩如图5 所示.

图5 旋转摩擦力矩仿真结果

与启动摩擦力矩处理方法相同，旋转摩擦力矩数据平均值为7.96 N·m，根据团体标准《商用车轮毂轴承单元》，该检测装置对于13T 重卡轮毂轴承旋转摩擦力矩的合格标准为4～8 N·m，启动力矩在10～15 N·m 之间，本次动力学仿真的启动摩擦力矩与旋转摩擦力矩仿真数据都在该范围内，初步验证了试验对象在按照标准的模拟下摩擦力矩的合理性，为了进一步验证Adams 动力学分析对重卡轮毂轴承摩擦力矩仿真的准确性，将进行台架试验分析。

4 测试设备

本试验采用的重卡轮毂轴承摩擦力矩检测装置如图6 所示，图中：1 为机架；2为顶升装置；3为试验工装；4为驱动电机；5为气液增压缸；6为升降气缸；7为扭矩传感器；8为下压头。该装置主要由扭矩传感器、气液增压缸、顶升部件和定位部件组成。其中，定位部件由预前挡气缸组件、后阻挡气缸组件及RFID 模块等组成，用于对托盘的定位与管理；顶升装置部件由下顶升组件、下滑台横移挡块组件及电机旋转模块等组成，用于旋转轴承内圈及定位产品高度；上滑台升降部件由上滑台组件、扭矩检测模块等组成，用于拨动外圈并检测轮毂的转动力矩。该设备的实体图如图7 所示。

图6 摩擦力矩在线检测装置结构图

图7 重卡轮毂轴承摩擦力矩检测装置实体图

5 重卡轮毂轴承摩擦力矩试验结果

为了保证测量的精确性，降低误差影响，本次试验选取100 个试验工装，每个试验工装分别测试2 次，共得到200 个数据[8]。从轮毂轴承单元静止、启动至设定转速为止。试验机在每1 次检测完摩擦力矩之后，会把启动摩擦力矩和旋转摩擦力矩记录在人机盒中，通过拷贝可以得到完整的EXCEL 数据文件，提取重卡轮毂轴承摩擦力矩曲线数据，将曲线数据导入MATLAB 中进行绘图[9]。可以得到：启动力矩的平均值为11.81 N·m，匀速旋转力矩的平均值为7.43 N·m。折线图如图8 所示。

图8 重卡轮毂轴承单元摩擦力矩试验数据

6 结语

利用Adams 动力学仿真软件对重卡轮毂轴承进行动力学仿真分析，得到13T 重卡轮毂轴承启动摩擦力矩以及旋转摩擦力矩的仿真结果，仿真结果均符合最新的行业标准，随后通过重卡轮毂轴承摩擦力矩试验机检测其真实的摩擦力矩数据并与仿真结果比较，结果显示仿真与试验的数据相近，由此肯定了本次针对重卡轮毂轴承的动力学仿真可靠性，且可以得出：该重卡轮毂轴承的启动摩擦力矩在10～13 N·m 之间，匀速转动摩擦力矩在6～9 N·m 之间。该重卡轮毂轴仿真分析结果真实可靠，且与真实台架试验结果基本一致，可以应用于实际工程分析中，指导生产实践。