轿车轮毂轴承失效机理的理论与实验研究

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1、上海交通大学博士学位论文轿车轮毂轴承失效机理的理论与实验研究姓名：张雪萍申请学位级别：博士专业：机械制造及其自动化指导教师：姚振强2002.2.20主堕圭壅奎望查堂竖主兰垡堡兰堑主丝墼塾墨塞墼垫里塑堡堡皇壅墼竺塞本文第三章实验测试了轿车前轮毂轴承的载荷特性。利用实验轿车，根据轮毂轴承系统的结构及承载特点，设计了载荷测试样本和实车测试系统；实车测试并分析了轿车在城市道路环境下，不同行驶状态时，轮毂轴承载荷谱的时域、幅值域和频域特征。为探究轮毂轴承失效机理提供了外载荷实际资料。本文第四章针对轮毂轴承座圈为薄壁

2、复杂结构的特点，建立了轮毂轴承及其外围结构的接触一挠曲耦合力学模型。该模型同时考虑轮毂轴承零件的赫兹接触变形和柔性座圈的弹性挠曲变形。基于挠曲变形量相对于接触变形的无量纲比值，提出了柔性座圈中滚动轴承应力分析必须采用接触．挠曲耦合模型的准则条件。数值计算了典型外载荷下轮毂轴承的内部载荷和应力分布、侧向载荷对内部应力分布的影响。在此基础上，探究了轮毂轴承外载荷、内部载荷、应力分布与轮毂轴承典型失效型式之间的内在力学关系。利用接触一挠曲耦合力学分析模型，通过有限元计算，本文分析了轴承主要参数一轴承游隙对轴承性

3、能的影响。研究发现，样本轿车轮毂轴承的滚动体载荷随游隙的变化呈“急一缓一急”的“N”型变化。基于以轮毂轴承的最大滚动体载荷为目标函数，使轮毂轴承疲劳寿命和磨损寿命最长的优化思想，数值优化了轮毂轴承的工作游隙。根据原始游隙与工作游隙的计算模型，最终给出轮毂轴承的最佳原始游隙。本文第五章，结合轮毂轴承宏观、微观失效特征、轿车轮毂结构特性和载荷谱、轴承内部载荷及应力数值模拟结果，探究了轿车轮毂轴承的失效机理。提出了轮毂轴承的三种典型失效型式的失效机理模型及失效理论：(1)前轮毂轴承轴向套圈定位间隙与轴向交变载荷

4、，导致条状II塑主丝墼塾垦叁墼垫里塑堡鲨量壅竺旦塞塑矍等间距剥落的广义微动磨损理论；(2)左右侧后轮轴承对的游隙差值量变，引起后轮轴承对大小轴承承载分配易位，导致后轮小轴承过载失效的承载易位理论；(3)配合柱面非对称受力，导致配合柱面相对蠕动，引起擦伤及刮削微粒，造成磨粒磨损和烧伤的磨粒侵入失效理论。针对提出的轮毂轴承失效机理，本文设计了相应的验证性试验。试验结果与理论模拟计算和推论取得了较好的一致。本文最后提出了轿车轮毂轴承抗失效设计策略：(1)根据轮毂轴承在轿车总系统的作用，轮毂轴承子系统设计时，要求

5、其可靠性应优于制造工艺性和经济性。(2)轿车轮毂轴承游隙，应根据具体座圈结构和运行条件优化；(3)两车轮轮毂轴承游隙误差必须严格控制在大小轮毂轴承的轴向接触变形差值之内。(4)对于通过孔用弹性挡圈实现轮毂轴承外圈轴向定位的装配设计，应采用分组装配，选择合适轴承外圈轴向定位间隙，以减少等间距条状剥落失效；(5)轮毂轴承柱面配合设计及工艺设计应尽量避免蠕动刮研；同时轴承必须有良好密封，以防止磨粒磨损。本文通过实验测试、数值计算、理论建模与分析，系统研究了轿车轮毂轴承在薄壁柔性座圈的结构环境、空间力系作用的力学

6、环境、基于具体车型的装配环境下的失效特性、失效机理及失效对策。本文的研究结果，可为轿车轮毂轴承的设计，从理论上提供柔性座圈结构中滚动轴承的力学建模与分析方法，在工程应用上，提供设计策略和设计准则。7／关键词：轮毂轴承，载荷测试，失效特性，耦合模型，失效机理，设计准则Ill堑王篓塑塑垦墨塾垫望塑星丝兰塞墼里塞垒!!里竺!!Theoretical&ExperimentalInvestigationonFailureMechanismofAutomotiveHubBearingsABSTRACTHubbeari

7、ngisaspecializedautomotiveunit，whichhasgreatinfluenceOnthedynamicperformance，reliability,safetyandcomfortofthewholeautomobilesystem．HubbearingdiffersfromotherbearingsOilitscomplexandflexibleperiphery,strictdimensionalrestriction，specialcouplingandfixing，a

8、ndcomplicatedloadconditions．Allthesegeometricandmechanicalcharacteristicswillresultinspecificperformance，andcallforuniquestrategyforanalysisandengineeringdesign．Thisthesisisdevotedtoinvestigatetheunpredictedfailureo