汽车轮毂轴承力学分析
第１ｌ卷第２４期２０１１年８月
科学技术与工程
ＶＯＬｌｌＮ仉２４
Ａ“ｇ．２０１１
１６７ｌ—１８１５（２０１１）２４－５９８２－０４
ｓｃｉｅ眦ｅ‰ｈｎｏＬ０９ｙ蚰ｄＥｎｇｉｎ∞Ｉｉ玎ｇ
＠２０１ｌ
Ｓｃｉ．‰ｈ－Ｅ“印昏
汽车轮毂轴承力学分析
张春燕
韩丽艳
（北京石油化工学院，北京１０２６１７）
摘要轮毂轴承是汽车系统的重要部件，其力学性能成为直接影响汽车安全性能的关键因素。通过对轮毂轴承的各项力学性能合理精确地分析，可以优化轮毂轴承设计、保证强度要求、减少试验次数、缩短开发时间。以轮毂轴承为研究对象，对其进行结构强度分析，获得轮毂轴承的静应力分布，为轮毂轴承产品的设计开发提供设计依据。关键词轮毂轴承
应力分析
有限元
中圈法分类号ｕ４６３．３４３；文献标志码Ａ
汽车轮毂轴承是轿车的重要组成部件。汽车轮毂轴承既承受径向载荷又承受轴向载荷，既支撑着汽车的整体重量、又要承受车辆在各种行驶工况下的复合动载荷。轮毂轴承的性能和质量对轿车的性能和行驶安全起着关键的作用。
２０世纪９０年代中期以前，国内汽车大部分都是采用传统的两套单独的圆锥滚子轴承或者球轴承，如图ｌ所示。这种结构是在汽车装配时进行调整游隙、预紧、添加润滑脂等，质量靠装配过程中诸多人为因素控制，装配难度较大，成本过高且可靠性较差。
（２）轴承组装工艺合理化。（３）轻量化和小型化。（４）提高可靠性。（５）降低整体成本。
目前，国内已逐渐开发应用了第一代和第二代轮毂轴承（球轴承），第三代目前正处于研发试制阶段。对轮毂轴承用圆锥滚子轴承，国内也基本处于
传统结构的应用阶段。而在国外，轮毂用球轴承的开发已进入第四代，轮毂用圆锥滚子轴承的第二代
也早已进入批量应用阶段。
第一代是外圈整体型双列角接触球轴承、填入润滑脂、带密封的普通型轴承。第二代轮毂轴承单元与第一代轮毂轴承单元相比，就是为了有利于与相配合结构连接装配，将转向节或轮毂与轴承套圈制成一体，也就是带法兰盘的轴承单元。第三代轮毂轴承单元是把与轴承相配合的零件即轮毂、ＡＢｓ传感器与轴承套圈制成整体化的型式”ｏ第二代又进一步发展的单元。典型结构就是大填球角、压配式内圈也带法兰盘：其两个套圈有一个法兰，外圈是一个刚性结构．因此可简化枢轴。第四代轮毂轴承单元的典型结构就是将等速万向节与轴承制成整体化，
图ｌ轮毂轴承
近几年，随着前置前驱轿车的飞速发展，汽车轮毂轴承发生很大变化。因此开发了一种能解决上述问题的轴承单元。对其要求有以下几点”Ｊ：
（１）不需要调整轴承组装间隙（过去选择间隔形式或按照力矩调整间隙）。
加１１年５月１６日收到
这种型式引人注目的是废除了轮毂花键轴，更加小型化以及使之安装更加合理的结构。目前第四代仅仅
研制成功，实用化还有一些问题有待解决。
第一作者简介：张眷燕（１９７８一），女．助教，硬士，研究方向：机槭设
计及理论。
本文旨在对轮毂单元进行强度计算，获得轮毂单元的静应力分布，并对其进行优化设计。
２４期张春燕，等：汽车轮毂轴承力学分析
１．２轴承受力
１车轮毂轴承的受力分析及寿命计算
由上面得到的轮胎载荷在静平衡状态下就是轴承的作用力，如图３所示。但这是一个静不定系１．１轮胎载荷
统，因此该静平衡方程不能计算出轴承作用力。
轮毂轴承的受力分析比较复杂，因为驱动力的外、内轴承的径向力，。和，。通过求解径向力变化，制动以及加速等都可能影响它的受力模型，
和力矩平衡方程很容易计算出来：
同时也就影响了轴承的寿命。主要以一代轮毂单
元作为分析体，因为二代、三代的法兰盘受力相当耻％譬掣一竽（５）
复杂，但如以简化模型还是可以得出与一代轮毂轴㈤
承类似的模型。
ｎ＝学＋竽
一代汽车轮毂轴承单元为双列角接触球轴承。凡．一％＋如＝Ｏ
（７）可直接安装，即长寿命润滑、密封和预调游隙。可
疋ｌ＋占正一氏；Ｏ
（８）
以根据静载荷分析来计算轮毂单元的寿命。
在式（８）中，６。．和如分别表示内、外轴承的轴向位
如图２所示，通过前轴的自由简体图可以计算移，岛表示轴向预载荷所产生的位移，然而，要得到出轮胎在转弯过程中所受的径向和轴向载荷。在轴向力的值，还必须有轴承平衡方程。
不考虑制动、加速、驱动力的前提下，并且将每个轮胎与路面间的摩擦系数看作常数，采用解平衡方程可以很容易得到作用在左、右轮上的载荷”１。
‰＝茜吒ｂ
（１）
【ｇ・形“Ｊ
‰一南＋南‰（２）
‰一南一南叱（４）
％孚＋南㈤
图３轮毂轴承载荷分析自由体简图
１．３轴承平衡方程
为满足图４所示双列接触球轴承的静平衡要求，作用于单个轴承的轴向力和径向力必须分别等式中，ｑ是转弯加速度，指转弯率；ｇ是重力加速度；
于以接触角％作用于每个滚动体的法向载荷仉的其余各参数见图２。
轴向和径向分力之和如下。
，。Ｉ一∑Ｑ。ｌｓｉｎ口。ｌ＝ｏ
（９）口；１
，ｄ一∑％ｓｉ“脚＝ｏ
（１０）
口；Ｉ
圈２右转弯时轮胎载荷计算的自由体简图
ｎ一互Ｑ舻咖一毗２
ｏ
（１１）
科学技术与工程１１卷
如一荟％ｅｏｓａ＃ｃ。８％２
轴向力和径向力，：是球数。
ｏ
（１２）
３有限元分析的应用实例
通过前述轮毂轴承的受力分析及寿命计算，在
轴承受力核算满足后，即可对轮毂轴承进行详细设计并建立数模”］，运用有限元软件进行应力核算，
式中，凡，、，２、Ｆ。ｎ分别是作用于外、内轴承上的
法向载荷口。可由赫兹接触应力原理计算：
仉＝Ｋ。截３。
式中Ｋ。和６。分别表示第ｇ球位置的有效刚度常数和有效变形，有效变形６。是球和每一滚道（６。和６。）的趋近量之和。
这样，通过应用Ｎｅｕｔｏｎ．Ｒａｐｈｓｏｎ方法同时解６个方程式（７）一式（１２），可以计算出外、内球轴承的
如图５所示。通过实际的计算过程，可以指导实际
的产品开发工作。
轴向和径向位移（６。６。、６。ｋ）以及轴向力（Ｆ。
Ｆ。）。应用这一计算结果，可以得到每一球位置的法向载荷Ｑ。和接触角％的值，这是寿命计算所必需的。
图５轮毂轴承建模图
图６给出了力矩分别为５００，ｌ
２０００
０００，１
５００和
Ｎ・ｍ的载荷状态下轮毂凸缘相对倾斜角的
ＦＥＭ分析值和试验结果值。ＦＥＭ分析结果和试验
结果的对比可以看出：在试验的力矩范围内，两者
图４静载荷下轮毂单元球与滚道的接触情况
的结果很接近，趋势一致。在各力矩载荷的分析点上。两者最大误差约为５％，ＦＥＭ理论分析结果与试验值较为吻合。
ｌ
２有限元分析
有限元分析最先应用于航空工程，现已迅速推广到机械、汽车、造船、建筑等各种工程技术领域。目前在汽车结构分析中有限元分析已成为一种被广泛采用的基本分析方法。具体体现在：一是在汽车的设计方而，对所有结构件及主要机械零件的强度、刚度和稳定性分析，有限元分析是一种不可替代的工具。二是在计算机辅助设计、优化设计方而，作为结构分析的工具已成为其主要组成部分之一。对于汽车上的轮毅轴承单元，它不仅要具有过去轴承的功能，还得保证结构强度的质量和新的功能。为了发现和解决试验中难以发现的问题，缩短产品开发周期，以低成本进行开发，运用有限元分析手段是非常必要的。木文就运用了有限元分析软件对汽车轮毅轴承单元进行结构强度分析。
艘
硅警韶罂
图６轮毂凸缘相对倾斜角的ＦＥＭ
分析值和试验结果值
４结论
本文对车轮毂轴承的受力分析进行了理论分
析，同时采用有限元软件对轮毂轴承单元结构进行了分析，从而可以指导产品的设计开发工作。
２４期张春燕，等：汽车轮毂轴承力学分析
５９８５
３彦平。黎桂华，岳俊华，等．轿车轮毂轴承凸缘力矩刚性分析．
参考文献
ｌ
轴承，２００９；（２）：１０—１３
４赵经文，王宏钰．结构有限元分析．北京：科学出版社，２００ｌ：
８５—＿８９
陈伟，粱政．哈里伯顿ｌ枷型压裂泵动力端动力学虚拟仿真
研究．机械研究与应用，２００４；（１０）：ｌｌｌ—１１３
２蒋兴奇，黄志强．ＮｓＫ第三代轮毂轴承的开发．轴承，２００５；（４）：
４６—＿４９
ＳｔｒｅｓｓＦｉｅｌｄＡｎａＩｙｓｉｓｏｆＣａｒＨｕｂＢｅａｒｉｎｇＵＩｌｉｔｓ
ＺＨＡＮＧＣｈｕｎ—ｙａｎ，ＨＡＮＬｉ・ｙａｎ
（ＢｅｉｊｉｎｇＩｎ８ｔｉｔｕｔｅ
ｏｆ
Ｐｅｔ唧ｈｅＩＩＩｉｃａｌｌｋｈｎｏｌｏ贸，Ｂｅ玎她１０２６１７，Ｐ．Ｒ．ｃｈｉ聃）
［Ａｂｓｔｒａｃｔ］ｗｈｅｅｌｈｕｂｕｎｉｔｅｉｓ粕ｉｍｐｏｒｔａｎｔｃｏｍｐｏｎｅｎｔｉｎｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄｉｔｓｍｅｃｈａｎｉｃｐｅｒｆｏ咖ａｎｃｅ
ｏｆ
ｗｈｅｅｌｈｕｂｕｎｉｔｅｄｉｒｅｃｔｌｙ
ｄｅｔｅ咖ｉｎｅｓ
ｔｈｅｓｅｃｕｒｉｔｙｏｆｖｅｈｉｃｌｅ．Ｕｓｉｎｇ
ａｃｃｕｍｔｅ锄ｄ
ＩＩａｔｉｏｎａｌａｎａＪｙ８ｉｓ０ｆｔｈｅｗｈｅｅｌｈｕｂ
ｍｅｃｈａｎｉｃｐｍｐｅｒｔｉｅｓ，ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅ璐ｃ明ｏｐｔｉｍｉｚｅｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｗｈｅｅｌ，ｓｅｃｕｒｅｔＩｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｃｕｔｄｏｗｎｅｘｐｅｄｍｅｎｔｎｕｍ—
ｂｅｒ锄ｄ
ｒｅｄｕｃｅｔＩｌｅｄｅｓｉｇｎｔｉｍｅ．
ａｒｅ
Ｂａｓｅｄｏｎ山ｅｗｈｅｅｌｈｕｂｕｎｉｔｅ，ａｎａｌｙｓｉｓ
ｉｔｓ栅ｃｔｕｒｅ，ｓｔｒｅｓｓ
ｆｉｅｌｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆ
ｗｈｅｅｌｈｕｂ
ａｃｑｕｉｒｅｄ，ｗｈｉｃｈ
ｈｕｂ
ｃａｎ
ｐｒｏｖｉｄｅｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｄｅｓｉｇｎｇｕｉｄｅｆｏｒｗｈｅｅｌｄｅｓｉｇｎ
ｆｉｅｌｄａｎａｌｙ８ｉ８
ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ
ｅｎ百ｎｅｅ玛．
［Ｋｅｙｗｏｒｄｓ］
ｂｅ撕ｎｇ
ｓ慨ｓｓ
（上接第５９７ｌ页）
鉴于氯亚磺酸基团是一个良好的离去基团，如果让氨基等亲核基团去作用于混合酸酐，即生成酰胺。基于上述推测，我们对卢帕他定酰胺的合成进行了大胆地尝试，完成了上述研究。
本文采用羧酸、有机胺在氯化亚砜作用下一锅合成酰胺，该方法操作简单、安全、条件温和，成本低且产率较高，克服了合成酰氯毒性大、腐蚀性强的难题，大大降低了富马酸卢帕他定的生产成本。同时该方法也给其他通过羧酸与有机胺合成酰胺提供了一种新的思路。
ＴｈｅＳｙｎｔｈｅｓｉｓｏｆＲｕｐａｔａｄｉｎｅ
３
参考文献
ｌ汪啸洋．世界上市新药２．北京：化学工业出版社，２０ｌＯ：１５９一１６ｌ
２
Ｃａ＂∞ＵｅｒＥ，Ｍｅｄ∞Ｍ．ＧｉｒａｌＭ，ｄ“．（３－Ｐ蜘ｄｙｌ８Ｉｋｙｌ）ｐｉｐｅｒｉｄｙＵ－
ｄｅｎｅＩｂｅｎ∞ｃｙｃｌｏｈｅｐｔａｐｙｒｉｄｉｍ蚰ｄ陈
Ｄｅｒｉｖ砒ｉ懈衄Ｄｕａｌ
Ｈｉ枷ｉ舱．Ｊ
Ａｎ坝弘ｎｉＢｔｓ
０ｆＰＡＦ
Ｍｅｄ
Ｃｈｅｍ，１９９４；３７（１７）：２６９７—２７０３
黎，李六林。胡卓伟．一种卢帕他定的制备方法．
ＣＮｌｏｌ５３１６５４．２００９母－１６
４杨双花．间氨基苯甲酸甲酯的合成研究．化工中间体。２∞８；４：
２０—＿２ｌ
ＡｍｉｄｅｉｎｏｎｅＰｏｔ
ＵＵＣｈａｎｇ，ＬＵＯＹａｎ，ＣＡＩＦａｎ，ＬＵＬｉ—ｘｉａ
（Ｓｃｈ∞ｌ
０ｆ
ｐｈ明ｎ北ｅｕｔｉｃａｌ８．Ｍｅｄｉｃｉｎ丑ｌ
Ｉｕ８ｔｉｆｈｆｅ
ｏｆＧｕ肌ｇｄｏｎｇ．Ｇｕ舭ｇｄ佣ｇ５１０００６。Ｐ．Ｒ．ＣｈｉＭ）
［Ａｂｓｔ阳ｃｔ］Ｔｈｅ
Ｔｈｉｏｎｙｌｃｈｌｏｒｉｄｅｉｎ
ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ
ｏｎｅ
ｏｆ川ｐａｔａｄｉｎｅ啪ｉｄｅｗ曲ｓｔｕｄｉｅｄ谢ｔｈ
ａｒｅ
Ｄｅ８ｌｏｍｔａｄｉｎｅａｎｄ
５－Ｍｅｔｈｙｌｎｉｃｏｔｉｎｉｃ们ｉｄ稍ｔｌｌ
ｔｈＩｌ｛ｏｕｇｈｒｅｄｕｃｔｉｏｎｗ鼬
ｐｏｔ，ａｎｄｓｙｎｔｈｅ８ｉｓｏｆｔｈｅｒｕｐａｔａｄｉｎｅｗｉｔｈｔｈｉｓ
Ｉ。ｕｐａｔａｄｉｎｅ咖ｉｄｅ
ｐｍｖｅｄｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ．Ｔｈｅｙｉｅｌｄａｎｄｐｕｒｉｔｙｏｆｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔ
ｉｍｐｒｏＶｅｄ，ａｎｄ山ｅｐｍｃｅｓｓｗ鼬８ｉｍｐｌｉｆｉｅｄ．
［Ｋｅｙｗｏｒｄ＿ｓ］
ｍｐａｔａｄｉｎｅ
ｒｕｐａｔａｄｉｎｅａｍｉｄｅ
８ｙｎｔｈｅｓｉｓＬｉｕＣｈａｎｇ，ＧｕａｎＤｏｎｇＰｈａｎｎａｃｅｕｔｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ