彈性支承的汽車懸架軸承單元振動(dòng)故障研究與試驗(yàn)驗(yàn)證

楊煥鳳，袁華生

(1．同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 201804；2.舍弗勒投資中國(guó)有限公司，上海 201804)

現(xiàn)代乘用車的前懸架設(shè)計(jì)多采用麥弗遜獨(dú)立懸架,為保證車輛的精確轉(zhuǎn)向，在麥弗遜獨(dú)立前懸架中有一個(gè)重要部件，即懸架支承軸承單元。該單元分別通過(guò)彈性支承和減振器彈簧與車身和車輪相連，承受車輛的重量并為駕駛員提供舒適的轉(zhuǎn)向體驗(yàn)。由于懸架系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)及減振要求，支承為彈性元件[1];且由于車輛的輕量化要求，部分軸承做成薄壁無(wú)保持架結(jié)構(gòu),懸架軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率不高于0.3 Hz，該類軸承在低速旋轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生振動(dòng)噪聲故障，并通過(guò)方向盤(pán)傳遞至駕駛員。初期檢查故障軸承，并無(wú)發(fā)現(xiàn)疲勞、強(qiáng)度損壞、油脂故障及機(jī)械干涉等現(xiàn)象。軸承單元的振動(dòng)故障往往同時(shí)伴隨著低速軸承力矩波動(dòng)，在更換彈性支承后故障得到改善，故彈性支承下的軸承力矩是故障分析的重點(diǎn)。

目前針對(duì)彈性支承引起的軸承摩擦力矩的研究較少，文獻(xiàn)[2]采用有限元法和Craig-Bampton固定界面模法研究了彈性支承對(duì)航空高速軸承動(dòng)力學(xué)特性的影響，并未研究低速情況下的軸承性能；文獻(xiàn)[3]采用解析法分析了彈性支承的載荷分布與疲勞壽命，但由于解析法的限制，對(duì)軸承的受力和周邊條件進(jìn)行了簡(jiǎn)化，無(wú)法滿足復(fù)雜情況的計(jì)算；文獻(xiàn)[4]推導(dǎo)了一種計(jì)算薄壁支座中軸承各鋼球載荷的力學(xué)模型和計(jì)算方法；文獻(xiàn)[5]采用有限元法分析薄壁深溝球軸承中的鋼球數(shù)量、安裝間隙對(duì)軸承載荷分布和壽命的影響。

針對(duì)某車型的懸架軸承系統(tǒng)故障問(wèn)題，采用有限元法分析了彈性支承引起的彎曲變形對(duì)無(wú)保持架軸承的載荷、應(yīng)力分布和鋼球運(yùn)動(dòng)狀況的影響，以找出引起軸承異常磨損和力矩波動(dòng)的原因，并分別計(jì)算不同支承剛度下的軸承特性，最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，以尋找故障的解決方案。

1 軸承單元的有限元計(jì)算

1.1 建模

某車型的懸架軸承和彈性支承的結(jié)構(gòu)如圖1所示，軸承為無(wú)保持架結(jié)構(gòu)。溝道材料為C75，球材料為100Cr6，凸緣材料為55#鋼，彈性模量均為210 GPa，泊松比為0.3。由于成本和輕量化要求，軸承上下端蓋為塑料件，彈性模量為7.5 GPa，泊松比為0.34。

1—彈性支承；2—上端蓋；3—上溝道；4—球；5—下溝道；6—下端蓋；7—凸緣

彈性支承是橡膠和金屬組合件，其彈性模量、泊松比及等效模型尺寸通過(guò)計(jì)算求得，設(shè)定橡膠件的彈性模量為17 MPa，泊松比為0.3，再根據(jù)剛度等效計(jì)算出模型尺寸。軸承和彈性支承的模型如圖2所示，彈性支承的彈性模量計(jì)算模型如圖3所示，圖中:D為外徑；d為內(nèi)孔徑；L為彈性支承總高度；L1為徑向剛度等效高度；Fa和Fr分別為軸向載荷和徑向載荷；Aa為模型在yz平面的橫截面積；Iy為模型在y方向的慣性矩。分別根據(jù)軸向剛度和徑向剛度計(jì)算L和L1。

應(yīng)力為

(1)

圖2 軸承和彈性支承模型

式中：E為彈性模量；σ為壓應(yīng)力；ε為應(yīng)變；ΔL為軸向變形量；Ka為彈性支承的軸向剛度。

由(1)式得

(2)

徑向力變形為

(3)

式中：Kr為彈性支承的徑向剛度。

由(3)式得

(4)

將實(shí)測(cè)軸向剛度5 000 N/mm和徑向剛度1 000 N/mm代入(2)式和(4)式得L和L1，為保證模型在同一彈性模量和泊松比情況下，保證模型的軸向和徑向剛度，必須對(duì)L與L1之間部分的模型進(jìn)行額外約束，使其軸向可移動(dòng)，徑向不可移動(dòng)。

1.2 網(wǎng)格單元及接觸定義

彈性支承、溝道的形狀較為規(guī)則，采用3D六面體實(shí)體單元，而對(duì)于軸承端蓋和引導(dǎo)環(huán)這2個(gè)塑料件，由于存在加強(qiáng)筋，形狀不規(guī)則，采用3D四面體實(shí)體單元，溝道等部位網(wǎng)格劃分的密度較高，彈性支承網(wǎng)格密度相對(duì)稀疏，網(wǎng)格劃分模型如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分

凸緣與下端蓋、下端蓋與下溝道、溝道與球、球與上溝道、上溝道與上端蓋均采用面-面接觸。

1.3 邊界條件及載荷施加

彈性支承的上端面為固定端，進(jìn)行全約束。彈性支承的上半部分在徑向不能移動(dòng)，約束其徑向自由度。

軸向載荷為5 000 N，非均勻分布在軸承的凸緣上，載荷分布由彈簧廠商提供，一周上有36個(gè)力，其載荷分布見(jiàn)表1，徑向載荷為1 500 N，其分布如圖5所示。

表1 軸向載荷分布

圖5 徑向載荷分布

1.4 應(yīng)力計(jì)算

通過(guò)ABAQUS可以計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力和應(yīng)變，溝道上的應(yīng)力分布需要借助ABAQUS插件計(jì)算,根據(jù) Hertz接觸理論[6]，接觸應(yīng)力為

(5)

a=0.023 6a*(Q/∑ρ)1/3，

b=0.023 6b*(Q/∑ρ)1/3，

式中：σ為鋼球與溝道的接觸應(yīng)力；Q為鋼球所受載荷；x和y為應(yīng)力點(diǎn)到橢圓中心的距離；a和b為Hertz接觸橢圓的長(zhǎng)半軸和短半軸；a*和b*為量綱一的接觸橢圓的長(zhǎng)半軸和短半軸，可查表得到；∑ρ為溝道與鋼球的曲率之和。

角接觸軸承正常溝道的接觸示意圖如圖6所示，應(yīng)力分布如圖7所示，溝道左極限和右極限分別對(duì)應(yīng)圖6上的圓弧溝道起始角和溝道終止角，起始角和終止角夾角之外的溝道為平面。理想情況下，鋼球與溝道的接觸點(diǎn)和溝道最大應(yīng)力值在溝道的左右極限角的中心位置，應(yīng)力橢圓沿溝道中心兩側(cè)成對(duì)稱分布。軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，鋼球可能會(huì)偏離溝道中心，但接觸橢圓不應(yīng)超過(guò)溝道左右極限，否則意味著接觸橢圓畸變或被截?cái)?。在載荷不變的情況下，接觸應(yīng)力急劇增大。

圖6 正常溝道接觸區(qū)域

圖7 應(yīng)力分布

通過(guò)有限元法可求解每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移和應(yīng)力，并通過(guò)求和得到鋼球所受載荷。ABAQUS提供了用戶二次開(kāi)發(fā)入口，通過(guò)插件對(duì)溝道半徑、溝道節(jié)圓直徑、接觸角進(jìn)行設(shè)定，通過(guò)計(jì)算求得鋼球受力分布。

2 計(jì)算結(jié)果分析

軸向剛度為5 000 N/mm時(shí)的溝道位移云圖如圖8所示，由圖可知，軸承上下溝道相對(duì)原來(lái)位置產(chǎn)生1.806 mm位移。在該工況下上溝道載荷分布如圖9所示，鋼球的應(yīng)力分布如圖10所示。

圖8 實(shí)際彈性支承下溝道位移云圖

圖9 實(shí)際彈性支承下的上溝道載荷分布圖

圖10 實(shí)際彈性支承下鋼球的應(yīng)力分布

由圖10可知，有8個(gè)鋼球脫離正常溝道，當(dāng)鋼球在非正常溝道運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生異常摩擦，摩擦力矩增大，引起振動(dòng)噪聲。這一結(jié)果也說(shuō)明在變形較大的前提下，會(huì)出現(xiàn)鋼球脫離正常溝道的現(xiàn)象。而減小變形的方法就是提高軸承零件及支承的剛性。

3 改進(jìn)方案

由于整車NVH和減振器運(yùn)動(dòng)要求，減振器上必須安裝彈性支承，但該支承的剛度有公差范圍，可以在公差范圍內(nèi)提高制造剛度。在彈性支承的剛度范圍內(nèi)，提高軸向和徑向剛度，重新計(jì)算。軸向剛度分別取5 500，6 000 和6 500 N/mm及公差范圍內(nèi)的上限7 000 N/mm,徑向剛度提高至上限1 250 N/mm，進(jìn)行有限元計(jì)算。軸承上下溝道相對(duì)原來(lái)位置的位移隨彈性支承剛度的變化如圖11所示，隨彈性剛度增加，位移減小。支承剛度為7 000 N/mm時(shí)的溝道位移云圖和上溝道載荷分布如圖12和圖13所示。異常運(yùn)行鋼球的數(shù)量變化如圖14所示，支承剛度為7 000 N/mm時(shí)鋼球所受的應(yīng)力分布如圖15所示。

圖11 位移隨彈性支承剛度的變化

圖12 支承剛度上限時(shí)的溝道位移圖

圖13 支承剛度上限時(shí)上溝道的載荷分布圖

圖14 異常運(yùn)行鋼球數(shù)量隨彈性支承剛度的變化

圖15 支承剛度上限時(shí)鋼球的應(yīng)力分布圖

由圖13可知，彈性支承剛度提高后鋼球載荷有所提高，由圖15可知，最大應(yīng)力值低于2 500 MPa,遠(yuǎn)低于軸承鋼的許用接觸應(yīng)力4 000 MPa[7]，故軸承在該載荷下安全。由圖11和圖14可知，隨彈性支承剛度的增加，軸承位移減少。由于位移的減少，在非正常溝道區(qū)域運(yùn)動(dòng)的鋼球的數(shù)量從8個(gè)減少到3個(gè)，異常摩擦減小，摩擦扭矩減少，軸承性能會(huì)得到改善。

綜上可知，提高彈性支承的剛度可減小軸承位移，并改善鋼球在溝道上的運(yùn)行狀況，從而減少摩擦，這為解決軸承的故障提供了一個(gè)可行的解決方案。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 懸架系統(tǒng)疲勞試驗(yàn)臺(tái)

為驗(yàn)證改進(jìn)方案的正確性，構(gòu)建軸承系統(tǒng)的性能和疲勞特性試驗(yàn)臺(tái)。在試驗(yàn)臺(tái)上，必須對(duì)懸架安裝參數(shù)(主銷傾度和彈簧偏置等)進(jìn)行模擬。根據(jù)圖16取得實(shí)車的安裝參數(shù)[8-9]，并在試驗(yàn)臺(tái)上模擬，且彈簧、彈簧座及彈性支承均安裝在試驗(yàn)臺(tái)(圖17)上，以最大程度的模擬軸承單元在實(shí)車情況下的受力和運(yùn)動(dòng)。

1—控制臂節(jié)點(diǎn)；2—轉(zhuǎn)動(dòng)軸線；3—軸承和彈性支承單元；4—彈簧偏置L；5—主銷傾角θ

1—轉(zhuǎn)動(dòng)軸線；2—彈性支承；3—軸承；4—主銷傾角θ；5—彈簧偏置L

試驗(yàn)臺(tái)主要由基座、驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)電動(dòng)機(jī)、加力裝置、主銷、彈簧偏置工裝、傳感器、采集設(shè)備等幾部分組成。試驗(yàn)臺(tái)上安裝力傳感器和力矩傳感器，用以測(cè)量軸承單元所受的軸向力和軸承的摩擦力矩。軸向力量程為10 kN，精度為0.5%，力矩傳感器量程為20 N·m，精度為0.5%。該試驗(yàn)臺(tái)可以對(duì)軸承單元的摩擦力矩進(jìn)行測(cè)量并對(duì)軸承單元的疲勞進(jìn)行測(cè)試。在完成一定次數(shù)后的運(yùn)轉(zhuǎn)后，對(duì)軸承單元的摩擦力矩再次測(cè)量，以判斷軸承的磨損。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

分別把支承剛度為5 000，7 000 N/mm的軸承單元安裝在試驗(yàn)臺(tái)上，進(jìn)行力矩測(cè)量和疲勞試驗(yàn)。軸向載荷為5 000 N，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行±40°的往復(fù)循環(huán)疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)總次數(shù)為100萬(wàn)次， 2種支承下的軸承單元各3套，每隔5萬(wàn)次對(duì)軸承力矩進(jìn)行檢測(cè)。

初始狀態(tài)時(shí)，2種狀態(tài)下的軸承單元力矩并無(wú)明顯差異。實(shí)際支承剛度的軸承單元在20萬(wàn)次時(shí)，有2套出現(xiàn)輕微振動(dòng)，摩擦力矩呈現(xiàn)小幅波動(dòng)，40萬(wàn)次時(shí)，2套軸承單元振動(dòng)加劇，1套出現(xiàn)輕微振動(dòng)，力矩曲線如圖18所示，40萬(wàn)次時(shí)2套軸承的力矩曲線波動(dòng)明顯與其振動(dòng)現(xiàn)象相吻合。而支承剛度上限的單元在40萬(wàn)次時(shí)表現(xiàn)平穩(wěn)，機(jī)械系統(tǒng)無(wú)振動(dòng)出現(xiàn)，至100萬(wàn)次時(shí)，2套軸承表現(xiàn)仍平穩(wěn)，1套出現(xiàn)輕微振動(dòng)，力矩曲線如圖19所示，曲線無(wú)明顯波動(dòng)，與振動(dòng)現(xiàn)象相吻合。

圖18 實(shí)際剛度支承時(shí)軸承摩擦力矩曲線

試驗(yàn)過(guò)程中和結(jié)束后對(duì)軸承溝道進(jìn)行了復(fù)測(cè)，支承剛度上限的鋼球在正常的溝道底部運(yùn)動(dòng)。而實(shí)際剛度支承的軸承油脂發(fā)黑，有金屬磨屑，溝道磨損寬度較寬，部分鋼球在溝道的底部及兩側(cè)位置運(yùn)動(dòng)。選取不同支承剛度的軸承各一套，溝道磨損痕跡如圖20所示。對(duì)于實(shí)際支承剛度的軸承，其溝道的磨損寬度在20萬(wàn)次試驗(yàn)后達(dá)到2 mm，在40萬(wàn)次時(shí)達(dá)到2.5 mm；而支承剛度上限的軸承，溝道的磨損寬度40萬(wàn)次時(shí)只有0.93 mm，100萬(wàn)次時(shí)也只有1.2 mm左右。分析結(jié)果與第3節(jié)的計(jì)算結(jié)果一致，并通過(guò)圖18對(duì)比可知，結(jié)果一致。彈性支承由于剛性小導(dǎo)致軸承溝道發(fā)生較大位移，導(dǎo)致鋼球在溝道的運(yùn)動(dòng)范圍變大，磨損寬度增大，磨損加劇，力矩變大，從而引起整個(gè)減振器的振動(dòng)噪聲。增大彈性支承的剛度，磨損寬度變小，摩擦力矩也變小。

圖19 支承剛度上限時(shí)的摩擦力矩曲線

(a)實(shí)際剛度支承

(b)支承剛度上限

5 結(jié)論

針對(duì)滿裝無(wú)保持架懸架軸承的振動(dòng)問(wèn)題，分析了彈性支承下軸承的彎曲變形對(duì)軸承單元性能的影響。通過(guò)有限元法計(jì)算了不同支承剛度軸承的載荷分布、軸承變形及應(yīng)力分布，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

1)隨支承剛度增加，軸承變形減小，變形量與剛度成比例關(guān)系；

2)隨支承剛度增加，在非正常溝道上運(yùn)行的鋼球的數(shù)量減少。當(dāng)剛度增加至極限時(shí)，異常運(yùn)行的鋼球數(shù)量明顯下降；

3)隨支承剛度增加，軸承載荷的最大值增加，但即使剛度達(dá)到極限，其對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力值仍小于鋼的許用應(yīng)力值4 000 MPa；

4) 通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比，支承剛度高的軸承溝道磨損痕跡明顯小于支承剛度低的軸承，與有限元分析一致，且軸承的摩擦力矩也比支承剛度低的軸承小；

針對(duì)薄壁無(wú)保持架的軸承結(jié)構(gòu)，彈性支承的剛性對(duì)軸承的性能有很大影響，在彈性支承剛度的公差范圍內(nèi)，增加彈性支承的剛度，能減小摩擦力矩，有效改善軸承的運(yùn)行狀況。