轮毂轴承单元内圈蠕动特性的试验研究_陈伟军.pdf

第 40 卷第 2 期2023 年 2 月机电工程Journal of Mechanical Electrical EngineeringVol 40 No 2Feb 2023收稿日期:2022 07 18基金项目:杭州市萧山区重大科技计划项目(2020111)作者简介:陈伟军(1968 )，男，浙江绍兴人，高级工程师，主要从事轮毂轴承应用技术方面的研究工作。E-mail:chenweijun wxqc cn通信联系人:汪峰，男，高级工程师。E-mail:wangfeng02 jg wxqc cnDOI:10 3969/j issn 1001 4551 2023 02 009轮毂轴承单元内圈蠕动特性的试验研究*陈伟军，汪峰*，郭权，许京亚，王青娣(浙江万向精工有限公司，浙江 杭州 311202)摘要:目前，在驱动型轮毂轴承单元的实际应用工况中，存在内圈与法兰轴之间相对蠕动频发的问题，而内圈防蠕动设计缺少有针对性的理论研究，为此，对内圈抗蠕动的设计进行了试验研究。首先，采用受力分解方式和有限元软件，分析了内圈与法兰轴的周边配合条件与影响因素;然后，基于轴力试验、定制的过盈量和锁紧力，开展了内圈与法兰轴之间静态与动态的双重蠕动试验，并分析了端面的摩擦系数;最后，通过内圈静态和动态蠕动试验，得到了内圈与法兰轴之间过盈量、轮毂轴承锁紧轴力对蠕动的影响规律。研究结果表明:对轮毂轴承内圈与法兰轴之间采用 0 045 mm 0 060 mm 的过盈量设计，以及轴力不低于 100 kN 的锁紧，能够使得驱动型轮毂轴承具有优异的抗蠕动能力，满足乘用车 0 7 g 工况载荷条件下不发生蠕动的要求。关键词:滚动轴承;轴承内圈;抗蠕动设计;过盈量;轴承锁紧轴力;静态/动态蠕动试验中图分类号:TH133 3;U463 343文献标识码:A文章编号:1001 4551(2023)02 0225 07Experimental study on creeping characteristics of inner ring ofwheel hub bearingCHEN Wei-jun，WANG Feng，GUO Quan，XU Jing-ya，Wang Qin-di(Zhejiang Wanxiang Precision Industry Co，Ltd，Hangzhou，311202，China)Abstract:At present，in the actual application conditions of the driven wheel hub bearing unit，there was a problem of frequent relativecreep between the inner ring and the flange shaft However，the anti-creep design of the inner ring lacked targeted theoretical research Tothis end，an experimental study was carried out on the design of the inner ring to resist creep Firstly，based on the force analysis and finiteelement software，the peripheral matching conditions and influencing factors of the inner ring and the flange shaft were analyzed Then，basedon the customized interference and locking force，static and dynamic dual creep tests between the inner ring and the flange shaft were carriedout，and the friction coefficient of the end face was analyzed Finally，through the inner ring static and dynamic creep tests，the interferencebetween the inner ring and the flange shaft and the influence of the wheel hub bearing locking axial force on the creep was obtained Theresult indicated that the interference design is 0 045 mm 0 060 mm between the inner ring and the flange shaft，and the locking with anaxial force is not less than 100 kN，which can make the driven wheel hub bearing have excellent creep resistance，meet the requirements ofno creep under the load condition of 0 7 g for passenger carsKey words:rolling bearing;bearing inner ring;creep-resistant design;interference;bearing locking axial force;static and dynamiccreep tests0引言汽车工业迄今为止已经有 100 多年的发展历程，而轮毂轴承作为汽车的部件之一也经历了不断演变的过程，从最早的 2 个单列轴承到现在最为常见的第三代轮毂轴承单元。蒋兴奇等人1 对第三代轮毂轴承单元的多种优点进行了阐述，其具有易安装、低摩擦、高刚性等特点，使其应用越来越广泛，经过多年的发展，现在第三代轮毂单元在乘用车上的应用已经越来越普遍。袁腾飞等人2 指出了轮毂轴承是汽车非常重要的零部件，其主要作用是承重，以及为轮毂转动提供精确引导，因其既承受轴向载荷又承受径向载荷，所以是轴承中技术要求较高的一类;同时，通过调研发现，目前第三代轮毂单元已经占据很高的市场份额。TANG Shi-xi 等人3 开展了轮毂单元振动特性的研究，通过对其振动信号进行分析，可以预测轮毂单元的寿命。而与振动直接关联的噪音是目前顾客感知轮毂单元是否有异常的最普遍的方式。由于现代乘用车绝大部分大都使用承载式车身，故其配合异常会令客户抱怨轮毂轴承存在异响。通过对近年来售后问题的分析，尤其在新能源乘用车逐渐普及的大背景下，低重心带来的车辆操控性提升和车辆起步时的大扭矩驱动产生的惯性作用，使得第三代轮毂轴承单元内圈与法兰轴颈之间的相对蠕动问题更加凸显。蠕动在其滑动瞬间就会产生异响，当蠕动长期存在时，若异响未被识别，内圈和法兰轴配合面会产生磨损，导致配合过盈量降低，轴承变得松旷，进而出现行驶异响，严重的会产生法兰盘断裂的风险。为此，普通乘用车需要保证在0 7 g 的侧向加速度载荷下不蠕动，而高性能型汽车则会有更高的载荷要求4。HAIS T A 等人5 利用弹性壁厚理论，分析了过盈量对游隙的影响，通过配合关系计算了圆环的配合力、尺寸变化等;但是其理论研究主要集中在对游隙、接触角等的影响方面，没有涉及到对内圈蠕动的分析。冈本纯三6 阐述了过盈配合的目的是防止蠕变，并就如何计算配合的应力、套圈直径变化及产生的应力展开了详细分析;但该研究也未就如何防止蠕变发生给出计算方法。尤绍军等人7 通过公式推导，给出了轴与内圈过盈配合的摩擦力计算公式，并指出了带动内圈旋转的力矩就是轴承的摩擦力矩;采用这个方法来控制内圈与轴的过盈量，其设计要求过低，轴承转矩普遍都很小，通过设计过盈量来抵抗内圈蠕动的力矩，肯定远大于轴承自身的转矩，因此在实际应用工况中，蠕动还是时有发生。刘晓初8 基于弹性力学理论，提出了过盈配合产生的沟道变形计算方法，并引入当量直径的概念来估算变形;但是该研究主要针对的是过盈配合对轴承游隙的影响，并没有对轴承使用过程中产生的相互作用带来的影响开展研究。熊伟等人9 采用理论计算的方法，得到了最小和最大内圈及法兰轴的过盈量，运用 ABAQUS 软件对铆压成型工艺进行了分析，采用径向过盈量增加方式修正内圈和法兰轴的配合，并通过 0 6 g 侧向加速度耐久试验，验证设计的合理性。该研究中虽然对内圈蠕动进行了确认，验证了内圈最小过盈量设计的合理性，但并未对蠕动的原因进行详细说明，且研究对象采用的是铆压轮毂单元结构，同时用于测试的侧向加速度也偏小，还缺少锁紧力带来的防蠕动效果，也未提出应用临界蠕动载荷来确定最佳过盈配合设计，故该研究不具有针对性和代表性。由于内圈防蠕动设计缺少有针对性的理论研究，笔者通过分析驱动型非卷边轮毂单元的受力情况和重载条件下的内圈变形现象，确认内圈蠕动发生的影响因素，通过设计轴向锁紧力试验，确定锁紧力与锁紧力矩的关系;设计静态和动态极限蠕动试验，来研究过盈量、锁紧力矩与静态驱动力矩、动态工作载荷之间的关系，为确定内圈与法兰轴的过盈配合及轴承轴向锁紧设计提供参考。1内圈蠕动影响因素分析轮毂轴承单元内圈装配和受力图如图 1 所示。图 1轮毂轴承单元内圈装配和受力图图 1 中:第三代驱动非铆压轮毂单元在实际使用中需要采用等速驱动轴连接，同时采用螺栓或螺母锁紧。通过对轮毂轴承单元锁紧状态下的结构特征进行分析，可以发现，轮毂轴承内圈上分别存在内圈大端面622机电工程第 40 卷与驱动轴之间的轴向夹紧力 Fa1，内圈小端面与法兰台阶面之间的轴向夹紧力 Fa2，内圈内径与法兰轴外径之间存在过盈引起的径向夹紧力 Fr，这些作用面上的载荷与作用面的摩擦系数共同作用，形成静摩擦力。由此可见，内圈蠕动的发生与内圈之间的静态摩擦力存在正相关关系，一旦以上 3 个力过小甚至消失，内圈在工作状态下，滚道钢球切向载荷作用将很轻易地发生周向滑动。在对普通轴承进行外圈蠕动的研究中，外圈蠕动的驱动力为滚动体引起的外圈局部应变和波纹变形10。而轮毂轴承单元的内圈通常因需要设计较好的内侧密封，所以内圈普遍较厚。笔者采用 ABAQUS软件，在 0 7 g 条件下，分析某典型乘用车轮毂轴承滚动体对内圈内径作用的局部应变。在重载工况下，内圈沟道和内径的变形图如图 2所示。图 2重载下内圈沟道和内径的变形图从图 2 可知:在 0 7 g 载荷下，钢球作用在沟道上的应力产生的应变仅有 0 035 mm，与之位置对应的内圈与轴配合部位的应变才 0 001 8 mm，其他部位变形更小，故从变形图可以确定，轮毂单元内圈蠕动发生的驱动力与普通轴承有较大的区别;由于其结构与应用工况的复杂性，从理论角度出发研究其蠕动规律异常困难;但从轮毂轴承结构特征角度，可以对轮毂轴承内圈蠕动发生影响的因素进行定性分析。2内圈静态蠕动试验及分析为研究内圈与法兰轴的过盈量，以及轴向锁紧状态对轮毂轴承蠕动的影响规律，笔者选择一款典型的三代驱动型非铆压结构轮毂轴承单元为研究对象;并设计两组试验，研究内圈的蠕动规律。两组试验如下:(1)设计轴力试验，在驱动轴与螺栓锁紧下，研究轮毂轴承不同轴向锁紧扭矩对轴力的影响规律;(2)设计内圈静态蠕动试验，研究不同驱动扭矩对内圈蠕动发生的影响规律，分析内圈蠕动在不同边界条件下的摩擦系数。典型三代驱动型非铆压轮毂轴承单元结构参数如表 1 所示。表 1典型三代驱动型非铆压轮毂轴承单元结构参数项目/单位参数内部结构两列相同节圆直径/mm60钢球规格/mm12 7钢球数量/颗13接触角度/()35列间距/mm27轴承内径/法兰轴颈直径/mm402 1轴向锁紧力试验轴向夹紧力测试示意图如图 3 所示。图 3轴向夹紧力测