簡(jiǎn)論我國轎車(chē)輪轂軸承單元開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展論文
自1938年SKF公司制造的輪轂軸承單元問(wèn)世以來(lái)，輪轂軸承就一直向著(zhù)高載荷能力、結構緊湊、免維護、高可靠性以及輕量化方向發(fā)展。近年來(lái)，SKF公司推出了具有革命性意義的X-tracker不對稱(chēng)輪轂軸承單元，通過(guò)改進(jìn)輪轂軸承單元力矩剛性的方法解決了制動(dòng)行程過(guò)長(cháng)的問(wèn)題。自20世紀90年代初我國部分軸承制造企業(yè)開(kāi)始設計制造轎車(chē)輪轂軸承單元以來(lái)，眾多企業(yè)和研究機構進(jìn)行了轎車(chē)輪轂軸承關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)發(fā)的積極研究和有益探索。
傳統的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期要1～2年甚至更長(cháng)。為縮短開(kāi)發(fā)周期及降低開(kāi)發(fā)費用，需要在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)早期提供成熟的、質(zhì)量高的設計方案，這就要求在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)早期應用設計優(yōu)化、性能分析及性能試驗評價(jià)等技術(shù)。轎車(chē)輪轂軸承單元開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)包括受力分析及關(guān)鍵性能指標計算、性能分析、設計優(yōu)化、性能評價(jià)等方面的技術(shù)。這幾個(gè)方面的技術(shù)緊密相關(guān)，構成了自主開(kāi)發(fā)技術(shù)的重要組成部分。
1受力分析及關(guān)鍵性能指標計算
1.1輪胎載荷
轎車(chē)行駛過(guò)程中，轎車(chē)重量及側向加速度引起的附加載荷會(huì )通過(guò)輪胎作用于路面。輪胎載荷即轎車(chē)行駛過(guò)程中路面對輪胎的反作用力，通常包括徑向、軸向輪胎載荷等。文獻設計了城市用轎車(chē)輪轂軸承載荷譜的測試系統，介紹了轎車(chē)勻速、加速及減速時(shí)輪轂軸承載荷譜的測試試驗方法，對城市道路環(huán)境條件下的轎車(chē)輪胎載荷進(jìn)行了測試與特性分析。文獻把轎車(chē)的行駛簡(jiǎn)化為線(xiàn)性化剛體運動(dòng)，建立了轎車(chē)穩態(tài)轉彎模型，對輪胎載荷計算公式進(jìn)行了推導并分析了輪胎載荷特性。研究結果表明:轎車(chē)側向加速度顯著(zhù)影響輪胎載荷，其對軸向輪胎載荷的影響顯著(zhù)程度大于徑向輪胎載荷。研究結果為轎車(chē)輪轂軸承耐久性試驗載荷譜設計提供了理論依據。
1.2受力分析
文獻提出了具有普遍性的建立輪轂軸承整體三維有限元接觸分析模型的準則，以某載重汽車(chē)用輪轂軸承為例驗證了建模準則的有效性。文獻利用ANSYS建立了雙列圓錐滾子軸承結構的轎車(chē)輪轂軸承及其外圍結構的多體接觸有限元(FEM)力學(xué)模型，該模型在計算Hertz接觸應力傳統模型的基礎上，耦合了柔性座圈撓曲變形的影響，得出了轎車(chē)輪轂軸承內、外套圈3D應力分布以及滾動(dòng)體載荷隨外部載荷遞增時(shí)的變化規律。文獻考慮了兩列軸承軸向變形協(xié)調關(guān)系以及受載后接觸角的變化，對預載荷為零的雙列角接觸球軸承的受力作了分析。轎車(chē)輪轂軸承屬于中、低速應用場(chǎng)合，滾動(dòng)體離心力和陀螺力矩的影響可忽略不計，而且滾動(dòng)體上的摩擦力和力矩也不會(huì )顯著(zhù)影響載荷分布。文獻基于靜力學(xué)分析方法建立二自由度的數學(xué)模型，考慮接觸角的變化和軸向預載荷的影響，采用數值求解方法可以求解轎車(chē)輪轂軸承的載荷分布。
2性能分析
軸向游隙(軸向預載荷)和輪轂偏移量是轎車(chē)輪轂軸承重要的開(kāi)發(fā)設計變量，其對轎車(chē)輪轂軸承性能有顯著(zhù)的影響。文獻就軸向游隙和輪轂偏移量對轎車(chē)輪轂軸承性能的影響開(kāi)展了系統研究。
2.1軸向游隙和輪轂偏移量的影響分析
軸向游隙與輪轂偏移量相比，對輪轂軸承的載荷分布、系統疲勞壽命以及力矩剛性具有更顯著(zhù)的影響。在兩種典型的行駛狀態(tài)下，每一列軸承的徑向和軸向位移相對軸向游隙的變化情況。軸向游隙(軸向游隙為負時(shí)即為軸向預載荷)對疲勞壽命和相對傾斜角(力矩剛性)的影響分析結果。疲勞壽命、相對傾斜角(力矩剛性)受輪轂偏移量的影響分析結果。
2.2力矩剛性分析
國外某些公司應用FEM技術(shù)開(kāi)展力矩剛性分析，取得了較為滿(mǎn)意的結果。文獻基于靜力學(xué)分析方法，運用APDL參數化分析技術(shù)，建立了第3代轎車(chē)輪轂軸承輪轂凸緣的有限元模型。利用大型有限元分析軟件ANSYS對輪轂凸緣在力矩載荷條件下的力矩剛性進(jìn)行了接觸分析和計算，得到輪轂凸緣主軸的傾斜角變化特性。輪轂軸承單元承受力矩M=2000kN·mm時(shí)，輪轂凸緣盤(pán)的軸向位移云圖和VonMises應力云圖。結果顯示有限元方法能很好地模擬實(shí)際情況，能對其剛性進(jìn)行很好地預測，也為以后輪轂軸承單元整體剛性分析提供了良好的思路。
文獻探討了輪轂軸承對車(chē)輪晃動(dòng)的影響。文獻則給出了車(chē)輪晃動(dòng)的理論解釋?zhuān)败?chē)輪晃動(dòng)”及“軸承異響”等輪轂軸承失效現象的主要起因基本上可以歸結為軸承的軸向游隙過(guò)大。軸承工作時(shí)軸向游隙較大，導致軸承相對傾斜角(力矩剛性)過(guò)大，最終表現為車(chē)輪晃動(dòng)和/或軸承異響。
3設計優(yōu)化技術(shù)
追求汽車(chē)關(guān)鍵零部件與整車(chē)等壽命是目前汽車(chē)行業(yè)的一個(gè)發(fā)展趨勢。提高輪轂軸承單元的系統疲勞壽命將有助于提高轎車(chē)的安全運行時(shí)間和轎車(chē)的可靠性，而轎車(chē)輪轂軸承的力矩剛性則顯著(zhù)影響轎車(chē)的行駛舒適性、轉向平穩性以及安全性。隨著(zhù)節能環(huán)保要求的日益突出，轎車(chē)輪轂軸承單元也朝著(zhù)輕量化方向發(fā)展，CAE技術(shù)在開(kāi)發(fā)過(guò)程中應用日益廣泛。
3.1以疲勞壽命最大化為目標的設計優(yōu)化
對于轎車(chē)輪轂軸承來(lái)說(shuō)，影響軸承承載能力的結構設計參數和相關(guān)的安裝使用參數都會(huì )對輪轂軸承的內部載荷分布產(chǎn)生顯著(zhù)影響，進(jìn)而影響系統疲勞壽命和力矩剛性等輪轂軸承重要性能指標。文獻和文獻研究了運用遺傳算法對雙列角接觸球軸承結構的轎車(chē)輪轂軸承進(jìn)行以疲勞壽命最大化為目標的優(yōu)化設計方法，設計變量包括鋼球個(gè)數、初始接觸角、鋼球直徑、球組節圓直徑、鋼球的中心距等軸承結構參數，還包括軸向預載荷、輪轂偏移量等安裝使用參數。
3.2整體性能優(yōu)化技術(shù)
文獻研究了運用模擬退火算法對雙列角接觸球軸承結構的轎車(chē)輪轂軸承進(jìn)行多目標優(yōu)化設計。當前設計方案和優(yōu)化設計方案。優(yōu)化設計方案無(wú)論在系統疲勞壽命還是在力矩剛性方面都要明顯優(yōu)于當前的設計方案，尤其是系統疲勞壽命的優(yōu)勢更加明顯。研究結果表明，模擬退火算法能夠有效地解決離散變量全局尋優(yōu)問(wèn)題，所有約束得到滿(mǎn)足并獲得整體性能最優(yōu)的輪轂軸承。優(yōu)化設計方案無(wú)論在系統疲勞壽命還是力矩剛性方面都顯著(zhù)地優(yōu)于當前設計方案。
3.3輕量化設計技術(shù)
輕量化設計不僅能節省材料成本，而且降低了轎車(chē)的能耗，具有很強的應用價(jià)值，也將成為將來(lái)輪轂軸承發(fā)展的一個(gè)重要方向。輪轂軸承通過(guò)提高一體化程度來(lái)減輕整個(gè)車(chē)軸的重量，同時(shí)也便于維護與安裝;利用有限元方法對目前最常用的`第3代輪轂軸承單元進(jìn)行整體的分析，得出輪轂軸承單元的承載情況，在保證足夠強度的前提下針對載荷小的部位進(jìn)行結構優(yōu)化，去除多余材料，減輕輪轂軸承單元重量，但是還沒(méi)有具體的量化標準及應用指南。具有革命性意義的輪轂軸承單元軸鉚合技術(shù)在我國也得到了廣泛重視，但是尚缺少系統深入研究。
4性b能評價(jià)技術(shù)
試驗評價(jià)是輪轂軸承開(kāi)發(fā)過(guò)程中必須的階段，通常包括耐久性試驗、重載試驗、彎曲疲勞試驗、力矩剛性試驗、密封性能試驗等。在此，僅討論耐久性試驗、彎曲疲勞試驗、力矩剛性測試技術(shù)的研究進(jìn)展。
4.1耐久性試驗
輪轂軸承耐久性試驗是輪轂軸承疲勞壽命的重要臺架試驗方法。目前我國還沒(méi)有建立轎車(chē)輪轂軸承耐久性試驗的方法標準，其中試驗載荷譜設計是關(guān)鍵。文獻對轎車(chē)輪轂軸承在國內城市道路路況的行駛條件下進(jìn)行了載荷譜測試與分析研究。文獻在對輪胎載荷計算方法研究的基礎上，提出了轎車(chē)輪轂軸承單元耐久性試驗載荷譜的設計方法。文獻對輪轂軸承耐久性試驗相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了分析，提出了采用峭度值輔以溫度監控的失效監控方法。
4.2彎曲疲勞試驗
彎曲疲勞試驗是評價(jià)輪轂軸承性能的另一項重要指標，轎車(chē)輪轂軸承單元凸緣盤(pán)必須能夠承受轎車(chē)轉彎過(guò)程產(chǎn)生的側向輪胎載荷的沖擊。文獻運用一種基于旋轉彎曲和共振條件的疲勞強度試驗方法來(lái)考查凸緣盤(pán)的疲勞強度，該方法充分考慮了整車(chē)狀態(tài)的實(shí)際工況和共振的苛刻條件，根據邁因納線(xiàn)性累計損傷的基本假設，對凸緣盤(pán)疲勞壽命進(jìn)行了FEM計算和試驗，得到了凸緣旋轉疲勞試驗結果的沃勒曲線(xiàn)。
4.3力矩剛性測試
力矩剛性是角剛度的另一種表述，是轎車(chē)輪轂軸承重要的性能指標。轎車(chē)輪轂軸承的力矩剛性顯著(zhù)影響轎車(chē)的行駛舒適性、轉向平穩性以及安全性。國內某公司對轎車(chē)輪轂軸承單元的力矩剛性開(kāi)展了較為系統的理論分析及測試研究。一般對輪轂軸承單元施加一定的力矩載荷，通過(guò)測量輪轂凸緣相對轉向節凸緣的傾斜角來(lái)完成力矩剛性分析，以實(shí)現評價(jià)輪轂軸承單元整體力矩剛性的目的。研究結果顯示:輪轂凸緣盤(pán)的力矩剛性與力矩載荷之間近似為線(xiàn)性關(guān)系，FEM分析結果與實(shí)測結果吻合的較好;由兩列軸承位移不同引起的輪轂軸承本身的力矩剛性是輪轂軸承單元整體力矩剛性的主要組成部分，不同結構形式的輪轂軸承單元其各部分在整體力矩剛性中的比重差異較大。研究結果為研究開(kāi)發(fā)整體性能優(yōu)化的轎車(chē)輪轂軸承單元提供了理論指導。
5展望
近幾年來(lái)我國在輪轂軸承設計開(kāi)發(fā)和制造技術(shù)方面進(jìn)步明顯，大大縮短了與國際先進(jìn)水平之間的差距。相關(guān)研究結果將能有效地指導轎車(chē)輪轂軸承及其他汽車(chē)軸承的設計、制造、檢測和應用。但是，與國外著(zhù)名公司相比，差距仍然巨大。以下方面應該得到輪轂軸承制造廠(chǎng)家和相關(guān)研究機構的廣泛重視，并對其進(jìn)行研究。
(1)在Hertz接觸應力傳統模型的基礎上，耦合輪轂軸承外圍部件的撓曲變形的影響，研究其載荷分布求解方法，以獲得更加真實(shí)的輪轂軸承內部載荷分布情況。
(2)研究輪轂軸承的摩擦損耗機理，考慮軸承內部的接觸潤滑狀態(tài)，建立軸承熱損耗分析數學(xué)模型，開(kāi)展考慮熱損耗因素的關(guān)鍵性能分析。
(3)在密封性能設計、輕量化設計以及性能仿真分析等方面基于CAE技術(shù)的研究。
(4)研究能更有效地模擬工況條件并反映輪轂軸承失效模式的性能試驗評價(jià)方法，包括密封性能、重載、彎曲疲勞強度、力矩剛性試驗等。
【簡(jiǎn)論我國轎車(chē)輪轂軸承單元開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展論文】相關(guān)文章：
飛機輪轂軸承孔修理中熱噴涂技術(shù)的運用論文05-21
簡(jiǎn)論表象論文02-14
我國民俗體育文化的開(kāi)發(fā)與利用論文10-02
我國野生森林產(chǎn)品開(kāi)發(fā)研究的論文10-27
我是誰(shuí)精簡(jiǎn)論文03-25
簡(jiǎn)論新型電控發(fā)動(dòng)機開(kāi)發(fā)標定系統的設計與實(shí)現論文11-13
鋁合金輪轂鑄造技術(shù)工藝研究論文10-27
精簡(jiǎn)論文的重要性10-23