雷良育,胡永偉,劉國輝,荊家寶

(1.浙江農(nóng)林大學(xué) 工程學(xué)院，浙江 杭州 311300;2.浙江兆豐機(jī)電股份有限公司，浙江 杭州 311200)

輪轂軸承是全車的支撐點(diǎn)，是連接車輪和底盤的重要聯(lián)接件，其質(zhì)量好壞直接關(guān)系到全車運(yùn)行的平穩(wěn)性[1]。各個(gè)軸承研究機(jī)構(gòu)和軸承公司都將輪轂軸承設(shè)計(jì)當(dāng)作其技術(shù)儲(chǔ)備的重要內(nèi)容之一。

近年來，隨著輪轂軸承技術(shù)的進(jìn)步，尤其是軸承鋼和加工技術(shù)的成熟，輪轂軸承的疲勞壽命和強(qiáng)度壽命已經(jīng)不再是局限輪轂軸承壽命的瓶頸[2]，于是各國軸承協(xié)會(huì)和各大輪轂軸承制造商提出輪轂軸承噪音壽命的概念，將輪轂軸承從正常的振動(dòng)噪音至發(fā)出異常振動(dòng)噪音的時(shí)間稱為噪音壽命。利用輪轂軸承的噪音壽命概念，可將輪轂軸承的壽命判別條件由其疲勞損壞改為振動(dòng)分貝達(dá)到一定值。

輪轂軸承的異常振動(dòng)是預(yù)判軸承失效的重要因素之一[3]。美國的軸承協(xié)會(huì)ABMA和中國的軸承工業(yè)協(xié)會(huì)CBIA，在對(duì)我國軸承生產(chǎn)商采購輪轂軸承時(shí)，都要求各生產(chǎn)商出具振動(dòng)試驗(yàn)報(bào)告和磨損振動(dòng)數(shù)據(jù)報(bào)告。由此可以看出振動(dòng)噪聲對(duì)評(píng)判一款輪轂軸承的好壞和預(yù)判輪轂軸承失效的重要性。

1 ADAMS在輪轂軸承動(dòng)力學(xué)分析中的運(yùn)用

輪轂軸承的正常振動(dòng)噪音與軸承的結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、載荷等因素有關(guān)[2]，每一款輪轂軸承的額定噪音與失效噪音均不同，因此不能利用另一款輪轂軸承的額定噪音去確定既定型號(hào)的輪轂軸承的額定噪音，同樣也不能利用另一款輪轂軸承的失效噪音去判斷既定輪轂軸承失效與否。所以有必要找到一種方便、有效的求取額定噪音與失效噪音的方法，為試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)和裝配生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)提供噪音壽命的參考標(biāo)準(zhǔn)。

ADAMS軟件是一款針對(duì)機(jī)械動(dòng)力學(xué)的分析平臺(tái)，特別是對(duì)機(jī)械振動(dòng)的分析，有專門的后處理工具窗口[4]。輪轂軸承是運(yùn)動(dòng)學(xué)中最具代表性的標(biāo)準(zhǔn)件之一，在各個(gè)研究機(jī)構(gòu)和軸承生產(chǎn)商研制輪轂軸承過程中，ADAMS動(dòng)力學(xué)分析都是輪轂軸承設(shè)計(jì)必不可少的環(huán)節(jié)。

ADAMS軟件中有專門針對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的插件，如系統(tǒng)控制模塊Controls、振動(dòng)模塊Vibration、耐久性模塊Durability、機(jī)電一體化模塊Mechatronics，這些模塊可以搭建各種仿真平臺(tái)、設(shè)計(jì)各種仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)的軸承進(jìn)行各種仿真數(shù)據(jù)的提取。

2 ADAMS在輪轂軸承振動(dòng)噪聲分析中的運(yùn)用

2.1 建立輪轂軸承仿真環(huán)境

以重卡輪轂軸承HZF1558、一代輪轂軸承428236-BB、二代輪轂軸承HZF430-BR-2B、三代輪轂軸承HZF488B-3T 4種型號(hào)的輪轂軸承為研

究對(duì)象，其四大件的材料和接觸屬性如表1所示，三維模型如圖1所示。將 4種型號(hào)的輪轂軸承的三維模型導(dǎo)入ADAMS，建立仿真環(huán)境、設(shè)計(jì)試驗(yàn)參數(shù)、提取重心點(diǎn)到地面的振動(dòng)加速度，得到圖2所示的正常工況下的4種型號(hào)的輪轂軸承的振動(dòng)加速度曲線。

將4種型號(hào)輪轂軸承四大件中的外圈、內(nèi)圈、滾子進(jìn)行裂紋破壞[3],用同樣的辦法得到圖3～圖6所示4種型號(hào)輪轂軸承在異常工況下的振動(dòng)加速度曲線。

表1輪轂軸承四大件的材料和接觸屬性
Table1Materialsandcontactpropertiesofthefourmajorpartsofthehubbearing

屬性外圈滾動(dòng)體保持架內(nèi)圈 材料GCr15GCr15強(qiáng)尼龍GCr15 連接旋轉(zhuǎn)接觸接觸固定 驅(qū)動(dòng)/(r·min-1)700～1000從動(dòng)從動(dòng)固定 徑向載荷/N 95550 軸向載荷/N 28665 重力加速度/(m·s-2) 9.8 接觸剛度/(N·mm-1)9000090000380090000 接觸阻尼系數(shù)50500.6850 穿透深度/mm0.0150.0150.2000.015 靜摩擦系數(shù)0.080.080.130.08 動(dòng)摩擦系數(shù)0.050.050.090.05 恢復(fù)系數(shù)0.130.130.20.13

圖1 輪轂軸承三維模型圖Fig.1 Three-dimensional model of wheel bearing

a 重卡零游隙

b 第一代輪轂軸承

c 第二代輪轂軸承

d 第三代輪轂軸承圖2 正常工況下4種型號(hào)輪轂軸承的振動(dòng)加速度曲線Fig.2 Vibration acceleration curves of four types of hub bearings under normal working conditions

a 外圈損壞零游隙

b 內(nèi)圈損壞零游隙

c 滾動(dòng)體損壞圖3 異常工況下重卡輪轂軸承HZF1558的振動(dòng)加速度曲線Fig.3 Vibration acceleration curve of outer ring, rolling element and inner ring of heavy truck wheel bearing HZF1558

a 外圈裂紋

b 內(nèi)圈裂紋

c 滾動(dòng)體裂紋圖4 異常工況下一代輪轂軸承428236-BB的振動(dòng)加速度曲線Fig.4 Vibration acceleration curve of the outer ring, rolling element and inner ring of the first generation of hub bearing 428236-BB

a 外圈裂紋

b 內(nèi)圈裂紋

c 滾動(dòng)體裂紋圖5 異常工況下二代輪轂軸承HZF430-BR-2B的振動(dòng)加速度曲線Fig.5 Second-generation wheel bearing HZF430-BR-2B outer ring, rolling element, inner ring damage vibration acceleration curve

a 外圈裂紋

b 內(nèi)圈裂紋

c 滾動(dòng)體裂紋圖6 異常工況下三代輪轂軸承HZF488B-3T的振動(dòng)加速度曲線Fig.6 Three-generation wheel bearing HZF488B-3T outer ring, rolling element, inner ring damage vibration acceleration curve

2.2 對(duì)提取曲線進(jìn)行振動(dòng)噪聲分析

利用公式(1)對(duì)4種型號(hào)輪轂軸承曲線進(jìn)行振動(dòng)分貝分析[5]，得到表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)。由表2可以看出，外圈損壞、內(nèi)圈損壞、滾動(dòng)體損壞的軸承的振動(dòng)噪音依次增大，且都遠(yuǎn)大于運(yùn)行正常的軸承的噪音(1.5倍以上)。

(1)

式中：B為振動(dòng)噪音，db;A為振動(dòng)加速度曲線幅值的加權(quán)分均，mm/s2；g為重力加速度，mm/s2。

表2 4種型號(hào)輪轂軸承的振動(dòng)噪音
Table2VibrationnoisedataofvariousstatesofHZF1558, 428236-BB,HZF430-BR-2BandHZF488B-3Twheelbearingsdb

輪轂軸承狀態(tài)重卡振動(dòng)一代振動(dòng)二代振動(dòng)三代振動(dòng)正常運(yùn)行40.16.31.9 5.2外圈損壞68.89.73.7 8.13內(nèi)圈損壞94.237.76.022.1滾動(dòng)體損壞158.8132.2143.6140.2

3 總結(jié)

利用ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真平臺(tái)可以真實(shí)可靠地得到輪轂軸承正常運(yùn)行的振動(dòng)噪音分貝值和疲勞損壞后的振動(dòng)噪音分貝值，每一款輪轂軸承異常振動(dòng)分貝值均大于正常值的150%以上，其中重卡軸承的外圈損壞失效振動(dòng)分貝值達(dá)到了68.8，是正常值40.1的172%；內(nèi)圈損壞失效振動(dòng)值達(dá)到94.2，是正常值40.1的235%；滾動(dòng)體損壞失效振動(dòng)值達(dá)到158.8，是正常值40.1的396%。顯然，不同型號(hào)的輪轂軸承失效振動(dòng)噪音分貝值與正常振動(dòng)噪音分貝值的差異程度，與各輪轂軸承的結(jié)構(gòu)、質(zhì)量有關(guān)。因此，可以利用這種差異設(shè)置檢測傳感器的分貝值，且不同型號(hào)的輪轂軸承的正常振動(dòng)噪音分貝值不同，要因型而定；失效振動(dòng)噪音分貝值要設(shè)置為正常振動(dòng)噪音分貝值的1.5倍。