勞坤勝，陳偉軍，陸曉峰，過(guò)松濤，李雄

(錢潮軸承有限公司，杭州 311247)

圓錐滾子軸承滾子與套圈之間為線接觸，可承受軸、徑向聯(lián)合載荷，廣泛應(yīng)用于大型商用車輪轂中[1]。學(xué)者對(duì)輪轂軸承疲勞壽命做了大量研究：文獻(xiàn)[2]對(duì)汽車輪轂用雙列圓錐滾子軸承進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，結(jié)果表明軸承疲勞壽命與預(yù)緊量有關(guān)；文獻(xiàn)[3]對(duì)汽車輪轂用雙列圓錐滾子軸承疲勞壽命進(jìn)行分析，結(jié)果表明轉(zhuǎn)彎時(shí)最大應(yīng)力位于軸與凸緣結(jié)合處；文獻(xiàn)[4]對(duì)某重型卡車輪轂軸承進(jìn)行靜、動(dòng)力學(xué)分析，得到其可滿足免維護(hù)的設(shè)計(jì)要求；文獻(xiàn)[5]基于ROMAXDESIGNER對(duì)第三代輪轂軸承單元進(jìn)行壽命計(jì)算，得到軸承接觸應(yīng)力分布，并得到最佳安裝游隙；文獻(xiàn)[6]基于Romax軟件建立輪轂系統(tǒng)剛性模型，對(duì)輪轂軸承接觸應(yīng)力及壽命進(jìn)行分析，內(nèi)圈與滾子接觸位置是軸承易損部位。

上述模型均未考慮輪轂殼體及套圈柔性對(duì)輪轂軸承性能的影響，鑒于此，基于Hypermesh和Romax軟件建立輪轂軸承有限元模型，對(duì)輪轂殼體和軸承外圈柔性化處理，計(jì)算其疲勞壽命。

1 圓錐滾子軸承壽命理論計(jì)算

GB/Z 36517—2018 《滾動(dòng)軸承 一般載荷條件下軸承修正參考額定壽命計(jì)算方法》綜合考慮載荷、剛度、污染、應(yīng)力等因素計(jì)算圓錐滾子軸承基本額定壽命L10r，即

(1)

修正額定壽命L10mr為

(2)

式中：Cr為基本額定動(dòng)載荷；Pr為當(dāng)量動(dòng)載荷；a1為可靠度壽命修正系數(shù)；ns為切片數(shù)量；aISO為壽命修正系數(shù)；ec為污染系數(shù)；Cur為疲勞載荷極限；Prk為軸承第k個(gè)切片的當(dāng)量動(dòng)載荷；κ為潤(rùn)滑油實(shí)際運(yùn)動(dòng)黏度與參考運(yùn)動(dòng)黏度之比；qcik，qcek分別為內(nèi)、外圈第k個(gè)切片的基本額定動(dòng)載荷；qeik，qeek分別為內(nèi)、外圈第k個(gè)切片的當(dāng)量動(dòng)載荷。

對(duì)于成對(duì)使用的圓錐滾子軸承，其壽命為

(3)

式中：L1，L2分別為兩列軸承的壽命；對(duì)于滾子軸承，e取9/8。

2 有限元分析

以某輪轂成對(duì)使用的圓錐滾子軸承(一列為32217圓錐滾子軸承，另一列為32218圓錐滾子軸承)為研究對(duì)象，軸承主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1，套圈、滾子材料為GCr15，輪轂殼體材料為QT500，材料參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 輪轂軸承主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 輪轂軸承材料參數(shù)

表3 循環(huán)載荷路譜

2.1 模型建立

在SolidWorks中建立輪轂殼體三維模型并導(dǎo)入Hypermesh對(duì)其進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，結(jié)果如圖1所示，共生成39 963個(gè)單元。

圖1 輪轂殼體網(wǎng)格模型

2.2 柔性化處理

未柔性化輪轂軸承模型如圖2a所示，外圈為剛性連接。輪轂殼體剛度會(huì)影響軸承錯(cuò)位量、壽命，將圖2 模型導(dǎo)入Romax縮聚計(jì)算輪轂殼體的剛度矩陣，并將外圈柔性化，可以更全面考慮殼體及軸承套圈受力后變形、位移等對(duì)軸承滾道接觸應(yīng)力和壽命的影響，軸承外圈與殼體連接，柔性化模型如圖2b所示。上述模型均為軸承外圈旋轉(zhuǎn)，載荷施加在輪轂殼體上。

(a)未柔性化

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 變形分析

考慮柔性時(shí)軸承會(huì)產(chǎn)生軸向和徑向變形，如圖3所示，32217，32218軸承外圈徑向最大變形量分別為6.59，14.85 μm，軸向變形較小，接近實(shí)際工況。說(shuō)明考慮輪轂殼體及外圈柔性時(shí)軸承會(huì)產(chǎn)生偏斜，進(jìn)而影響兩端軸承滾道接觸應(yīng)力和壽命。

圖3 輪轂軸承外圈變形曲線

2.3.2 應(yīng)力分析

在工況4下軸承受載最大， 最大接觸應(yīng)力位于滾子與內(nèi)圈接觸位置，提取此處的應(yīng)力云圖，如圖4所示(左側(cè)為未柔性化結(jié)果，右側(cè)為柔性化結(jié)果)：柔性化對(duì)32217軸承滾道接觸應(yīng)力影響較小，對(duì)32218軸承影響較大，說(shuō)明考慮柔性時(shí)輪轂軸承會(huì)發(fā)生偏斜，進(jìn)一步驗(yàn)證了2.3.1節(jié)的分析結(jié)果。

圖4 輪轂軸承內(nèi)圈滾道接觸應(yīng)力

2.3.3 壽命分析

根據(jù)上述模型可計(jì)算單套軸承的壽命，再通過(guò)(3)式可得輪轂軸承綜合壽命，結(jié)果見(jiàn)表4：考慮柔性時(shí)軸承綜合壽命降低了14.99%，其中32217軸承壽命增大了7.26%，32218軸承壽命降低了28.23%。結(jié)合2.3.1節(jié)變形曲線，說(shuō)明殼體及軸承套圈變形對(duì)軸承壽命有顯著影響。

表4 輪轂軸承壽命計(jì)算結(jié)果 Tab.4 Life calculation results of hub bearings km

3 結(jié)束語(yǔ)

基于Hypermesh和Romax的聯(lián)合仿真，分析商用車輪轂殼體及外圈柔性對(duì)輪轂軸承變形、滾道接觸應(yīng)力及軸承壽命的影響，考慮輪轂殼體及外圈柔性時(shí)軸承會(huì)發(fā)生偏斜，進(jìn)而影響滾道接觸應(yīng)力及軸承壽命，輪轂軸承綜合壽命降低。在理論分析時(shí)應(yīng)充分考慮輪轂殼體及套圈柔性對(duì)軸承性能的影響，其影響規(guī)律還與整車參數(shù)等有關(guān)，后續(xù)有待進(jìn)一步研究。