汽車輪轂軸承單元密封件設(shè)計(jì)改進(jìn)及分析

王國(guó)輝，雷良育，2，荊家寶，胡峰，孫崇昆

(1.浙江農(nóng)林大學(xué) 工程學(xué)院，浙江 臨安，311300；2.浙江兆豐機(jī)電股份有限公司，浙江 杭州，311232)

汽車輪轂軸承的作用是為汽車傳動(dòng)系統(tǒng)提供支撐、固定，并撐起整輛車的重量，這要求它必須能夠承受汽車行駛中所受到的軸向、徑向兩種載荷，是非常重要的汽車安全件[1]。輪轂軸承密封件在軸承上被廣泛使用，它是在圓環(huán)形的一個(gè)端面上，然后向上延伸著的兩個(gè)成圓形的凸起，一般直徑較小的凸起的內(nèi)徑與軸承的內(nèi)圈外徑相配合，而直徑較大的凸起與軸承的滾珠圈外徑相配合。密封件是汽車輪轂軸承單元必不可少的一個(gè)重要零件，因此必須對(duì)其進(jìn)行更深的研究開發(fā)[2-3]。

1 密封件技術(shù)要求

低扭矩，有助于輕量化輪轂軸承單元的起動(dòng)扭矩、使軸承更加緊湊和節(jié)能；采用具有優(yōu)異自潤(rùn)滑性的特殊材料，低發(fā)熱，長(zhǎng)壽命；采用獨(dú)特的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并具有極佳的唇結(jié)構(gòu)，發(fā)揮高密封性能；采用耐低溫材料，密封件耐溫范圍為-50～175℃，從而使該新型結(jié)構(gòu)密封件的使用范圍更加的廣泛。

2 密封件的設(shè)計(jì)及材料要求

汽車輪轂軸承密封件的作用就是將接合面之間的間隙封住、隔離、切斷泄漏的全部通道，增加軸承密封件泄漏通道當(dāng)中的全部阻力，或者在泄漏的通道中布置合理的小型做功元件，用來(lái)達(dá)到完全平衡，從而阻止泄漏。

如何改變普通結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的負(fù)面影響，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的探索、研究，決定采用葉形唇接觸方式，主要由四個(gè)唇組成：泥漿唇和側(cè)唇的作用是防止水和外部異物的進(jìn)入；主唇和子唇的作用是防止內(nèi)部油脂的外泄，防止反壓蓋的分離，保持反壓蓋平衡。

新型結(jié)構(gòu)的密封件的材料應(yīng)該滿足密封功能的較多部分的要求。然而由于被密封的介質(zhì)各不相同，以及各個(gè)設(shè)備的工作條件及環(huán)境的不同，對(duì)密封件材料具有各種不同的適應(yīng)性的要求。對(duì)于一般的密封件材料的要求為1)密封件材料的致密性好，不輕易泄漏內(nèi)部介質(zhì)；2)密封件的材料有適當(dāng)?shù)臋C(jī)械強(qiáng)度及硬度；3)材料的壓縮性和回彈性特別的好，幾乎無(wú)變形；4)高溫下沒有任何的軟化，不分解，低溫條件下沒有任何硬化，同時(shí)也不發(fā)生脆裂，而且抗腐蝕性能較好；5)它的摩擦系數(shù)必須較小，耐磨性能必須好，還具有與密封面相結(jié)合的柔軟性，與此同時(shí)還需保證材料的耐老化性能好。

綜合以上要求最終決定采用特殊工藝處理的氫化丁腈橡膠，該橡膠的優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度高、耐油、耐磨、耐溫范圍-50～175℃、耐老化。這種材料非常適合于高溫、高速的往復(fù)密封和旋轉(zhuǎn)密封。這些要求在設(shè)計(jì)中都會(huì)考慮到，因此設(shè)計(jì)要求在密封件的設(shè)計(jì)過程中是重中之重，然而密封件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是必不可少的。

3 密封件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

汽車輪轂軸承密封件通常是固定在輪轂軸承的外圈上。外圈的兩側(cè)設(shè)計(jì)有固定密封件的專用槽。因此，密封件槽的主要形狀和固定壓縮量直接能夠影響輪轂軸承單元的性能，所以必須經(jīng)過專門研究探討、設(shè)計(jì)和分析。在動(dòng)密封面的上面，必須以曲路的形式設(shè)計(jì)，在密封唇邊也必須有一定程度的壓縮，然后密封件才能夠達(dá)到比較好的密封效果和性能[4-5]。

根據(jù)第三代輪轂軸承單元的主要結(jié)構(gòu)(見圖1)來(lái)分析，在一個(gè)不旋轉(zhuǎn)條件下的外圈和旋轉(zhuǎn)條件下的凸緣之間(圖中被放大的區(qū)域)需要設(shè)計(jì)一個(gè)密封件，密封件應(yīng)該能夠與鋼球保持一定的間隙，除了要阻止外界的污染物進(jìn)入到輪轂軸承的內(nèi)部，防止內(nèi)部的油脂泄漏，同時(shí)也要避免產(chǎn)生過大的轉(zhuǎn)矩，從而造成大量的能量損耗[6]。

1-外部污染物；2-凸緣；3-鋼球；4-內(nèi)部油脂；5-外圈圖1 第三代輪轂軸承單元結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The geometric diagram of the third generation hub bearing unit

該款專用汽車輪轂軸承單元密封件所設(shè)計(jì)的四唇葉型的獨(dú)特結(jié)構(gòu)依據(jù)普通的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示，經(jīng)過反復(fù)研究設(shè)計(jì)該新型結(jié)構(gòu)密封件如圖3所示。

圖2 普通密封件結(jié)構(gòu)Fig.2 Ordinary seal geometry

圖3 新型密封件結(jié)構(gòu)Fig.3 New seal geometry

4 有限元分析

新型密封件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成，必須通過軟件先進(jìn)行分析，通過Ansys Workbench進(jìn)行的靜態(tài)分析過程中，密封件材料(丁腈橡膠)的超彈特性和分析中存在的大變形、接觸問題，使分析包含了材料的非線性、接觸非線性以及大變形(結(jié)構(gòu))非線性這三種情況[7-8]。這些非線性往往使分析很難以收斂，所以為了分析方便，在不太影響分析結(jié)果的情況下，該新型結(jié)構(gòu)密封件在此提出了一些相對(duì)的假設(shè)。

本文用簡(jiǎn)化后的Mooney-Revlin模型描述橡膠材料的應(yīng)變能函數(shù)：

W=C1(I1-3)+C2(I2-3)+P(I3-1)

(1)

根據(jù)變分原理，Kirchhoff應(yīng)力張量tij與應(yīng)變能密度關(guān)系為

(2)

公式(1)中的P為壓力，C1、C2分別為常數(shù)。公式(2)中rij為Green應(yīng)變張量。其物理矢量為

s=[s11，s33，s22，s12]=[t11，r2t33，t22，t12]T

(3)

式中：sij為物理分量，tij為Kirchhoff的應(yīng)力張量，將(1)式和(2)式代入(3)運(yùn)算得：

s=[2(c1+2c2+p)P]+[2(c2+p)V+2pW]ε

(4)

式中：

通過有限元分析軟件，在相同的軸、徑向過盈量以及偏移量的約束作用下，采用靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析單元，材料選用橡膠(丁腈橡膠)運(yùn)用四面體網(wǎng)格劃分，將其化分為16551個(gè)單元，對(duì)各密封唇口的接觸應(yīng)力進(jìn)行分析，計(jì)算最大應(yīng)力大小。從而判斷和優(yōu)化該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是否滿足使用的安全要求。普通結(jié)構(gòu)與新型結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果如圖4、5所示。

圖4 普通結(jié)構(gòu)密封件分析Fig.4 Analysis of an ordinary geometric seal

圖5 新型結(jié)構(gòu)密封件分析Fig.5 Analysis of a new geometric seal

由分析的數(shù)據(jù)得，側(cè)唇和主唇的接觸應(yīng)力都有較為明顯的下降，使密封圈扭矩大幅降低，同時(shí)泥漿唇和子唇的增加使密封性能效果更佳，通過科學(xué)合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)使產(chǎn)品的安全性能得到更大的提升。

5 對(duì)比試驗(yàn)分析

新型密封件經(jīng)過研究設(shè)計(jì)、分析，必不可少的還要進(jìn)行試驗(yàn)才能有效的證明其性能的優(yōu)越性，單一的試驗(yàn)完全沒有參考價(jià)值，在此運(yùn)用和普通結(jié)構(gòu)的密封件性能相比較的對(duì)比試驗(yàn)法來(lái)驗(yàn)證。

5.1 扭轉(zhuǎn)對(duì)比試驗(yàn)

普通密封件和新型密封件在軸承預(yù)運(yùn)轉(zhuǎn)1小時(shí)；轉(zhuǎn)速達(dá)到900rpm；載荷在0KN；試驗(yàn)開始溫度設(shè)置為室溫；所用測(cè)試時(shí)間為10min；經(jīng)過系統(tǒng)生成圖像。不同結(jié)構(gòu)的扭矩值如表1。

表1 不同結(jié)構(gòu)扭矩表
Table 1 The Table of torque meters with different geometry

結(jié)構(gòu)類型最大扭矩/(N·m)最小扭矩/(N·m)平均值/(N·m)普通結(jié)構(gòu)0.8420.3970.634新型結(jié)構(gòu)0.4690.2050.320

經(jīng)系統(tǒng)生成扭矩曲線圖，普通結(jié)構(gòu)扭矩圖如圖6，新型結(jié)構(gòu)扭矩圖如圖7。經(jīng)過扭矩對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，新型結(jié)構(gòu)密封件比普通結(jié)構(gòu)密封件扭矩整體下降了50.47%，性能飛躍提升。

圖6 普通結(jié)構(gòu)扭矩圖Fig.6 Torque diagram for the ordinary geometric seal

圖7 新型結(jié)構(gòu)扭矩圖Fig.7 Torque diagram for the new geometric seal

5.2 漏脂溫升對(duì)比試驗(yàn)

在進(jìn)行漏脂溫升對(duì)比試驗(yàn)前需要設(shè)置相同變量，環(huán)境溫度為25～30℃，轉(zhuǎn)速為1 500rpm，測(cè)試時(shí)間設(shè)置為15min，然后進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)機(jī)如圖8所示。

圖8 試驗(yàn)機(jī)Fig.8 Testing Machine

試驗(yàn)結(jié)果為：普通結(jié)構(gòu)溫度呈直線上升至110℃，新型結(jié)構(gòu)溫度緩慢上升至最高65℃。具體如圖9、10。普通結(jié)構(gòu)漏脂率為6.5%，新型結(jié)構(gòu)漏脂率為2.6%。

圖9 普通結(jié)構(gòu)溫升圖Fig.9 Temperature rise diagram for the ordinary geometric seal

圖10 新型結(jié)構(gòu)溫升圖Fig.10 Temperature rise diagram for the new geometric seal

經(jīng)過對(duì)比試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)：1)新型結(jié)構(gòu)密封件相對(duì)于普通的結(jié)構(gòu)扭矩大大減少，有助于輕量化等；2)溫升和漏脂率減小，更加有利于提高其壽命等。

6 結(jié)語(yǔ)

此款新型結(jié)構(gòu)密封件各方面性能優(yōu)越，所測(cè)的實(shí)際數(shù)據(jù)基本可以反映該結(jié)構(gòu)的可行性，大大提高了密封的效果，同時(shí)也反映了研究的層次性，為國(guó)內(nèi)汽車輪轂軸承單元密封件的研究提供了很大的參考價(jià)值。