轮毂壳体及外圈柔性对轮毂轴承性能的影响

劳坤胜，陈伟军，陆晓峰，过松涛，李雄

(钱潮轴承有限公司，杭州 311247)

圆锥滚子轴承滚子与套圈之间为线接触，可承受轴、径向联合载荷，广泛应用于大型商用车轮毂中[1]。学者对轮毂轴承疲劳寿命做了大量研究：文献[2]对汽车轮毂用双列圆锥滚子轴承进行动力学分析，结果表明轴承疲劳寿命与预紧量有关；文献[3]对汽车轮毂用双列圆锥滚子轴承疲劳寿命进行分析，结果表明转弯时最大应力位于轴与凸缘结合处；文献[4]对某重型卡车轮毂轴承进行静、动力学分析，得到其可满足免维护的设计要求；文献[5]基于ROMAXDESIGNER对第三代轮毂轴承单元进行寿命计算，得到轴承接触应力分布，并得到最佳安装游隙；文献[6]基于Romax软件建立轮毂系统刚性模型，对轮毂轴承接触应力及寿命进行分析，内圈与滚子接触位置是轴承易损部位。

上述模型均未考虑轮毂壳体及套圈柔性对轮毂轴承性能的影响，鉴于此，基于Hypermesh和Romax软件建立轮毂轴承有限元模型，对轮毂壳体和轴承外圈柔性化处理，计算其疲劳寿命。

1 圆锥滚子轴承寿命理论计算

GB/Z 36517—2018 《滚动轴承 一般载荷条件下轴承修正参考额定寿命计算方法》综合考虑载荷、刚度、污染、应力等因素计算圆锥滚子轴承基本额定寿命L10r，即

(1)

修正额定寿命L10mr为

(2)

式中：Cr为基本额定动载荷；Pr为当量动载荷；a1为可靠度寿命修正系数；ns为切片数量；aISO为寿命修正系数；ec为污染系数；Cur为疲劳载荷极限；Prk为轴承第k个切片的当量动载荷；κ为润滑油实际运动黏度与参考运动黏度之比；qcik，qcek分别为内、外圈第k个切片的基本额定动载荷；qeik，qeek分别为内、外圈第k个切片的当量动载荷。

对于成对使用的圆锥滚子轴承，其寿命为

(3)

式中：L1，L2分别为两列轴承的寿命；对于滚子轴承，e取9/8。

2 有限元分析

以某轮毂成对使用的圆锥滚子轴承(一列为32217圆锥滚子轴承，另一列为32218圆锥滚子轴承)为研究对象，轴承主要结构参数见表1，套圈、滚子材料为GCr15，轮毂壳体材料为QT500，材料参数见表2。

表1 轮毂轴承主要结构参数

表2 轮毂轴承材料参数

表3 循环载荷路谱

2.1 模型建立

在SolidWorks中建立轮毂壳体三维模型并导入Hypermesh对其进行四面体网格划分，结果如图1所示，共生成39 963个单元。

图1 轮毂壳体网格模型

2.2 柔性化处理

未柔性化轮毂轴承模型如图2a所示，外圈为刚性连接。轮毂壳体刚度会影响轴承错位量、寿命，将图2 模型导入Romax缩聚计算轮毂壳体的刚度矩阵，并将外圈柔性化，可以更全面考虑壳体及轴承套圈受力后变形、位移等对轴承滚道接触应力和寿命的影响，轴承外圈与壳体连接，柔性化模型如图2b所示。上述模型均为轴承外圈旋转，载荷施加在轮毂壳体上。

(a)未柔性化

2.3 结果分析

2.3.1 变形分析

考虑柔性时轴承会产生轴向和径向变形，如图3所示，32217，32218轴承外圈径向最大变形量分别为6.59，14.85 μm，轴向变形较小，接近实际工况。说明考虑轮毂壳体及外圈柔性时轴承会产生偏斜，进而影响两端轴承滚道接触应力和寿命。

图3 轮毂轴承外圈变形曲线

2.3.2 应力分析

在工况4下轴承受载最大， 最大接触应力位于滚子与内圈接触位置，提取此处的应力云图，如图4所示(左侧为未柔性化结果，右侧为柔性化结果)：柔性化对32217轴承滚道接触应力影响较小，对32218轴承影响较大，说明考虑柔性时轮毂轴承会发生偏斜，进一步验证了2.3.1节的分析结果。

图4 轮毂轴承内圈滚道接触应力

2.3.3 寿命分析

根据上述模型可计算单套轴承的寿命，再通过(3)式可得轮毂轴承综合寿命，结果见表4：考虑柔性时轴承综合寿命降低了14.99%，其中32217轴承寿命增大了7.26%，32218轴承寿命降低了28.23%。结合2.3.1节变形曲线，说明壳体及轴承套圈变形对轴承寿命有显著影响。

表4 轮毂轴承寿命计算结果 Tab.4 Life calculation results of hub bearings km

3 结束语

基于Hypermesh和Romax的联合仿真，分析商用车轮毂壳体及外圈柔性对轮毂轴承变形、滚道接触应力及轴承寿命的影响，考虑轮毂壳体及外圈柔性时轴承会发生偏斜，进而影响滚道接触应力及轴承寿命，轮毂轴承综合寿命降低。在理论分析时应充分考虑轮毂壳体及套圈柔性对轴承性能的影响，其影响规律还与整车参数等有关，后续有待进一步研究。