重型汽车驱动桥轮毂轴承配合失效分析_杨英
SW803146轮毂单元轴承断裂失效分析
Ｆａｌ ｒ ａ ｙ ｉ ｏ ｒ ｃ ｕ ｅ ｏ ｂ Ｕｎ ｔＢｅ ｒｎ ｓ Ｓ ８ ３ ｉ ｅ Ａｎ ｌｓｓ ｎ Ｆ ａ ｔ ｒ ｆＨｕ ｉ ｕ ａ ｉｇ Ｗ ０ ６ １ ４
Ｍ Ｉ ａ ｉ， Ｎ ｎ Ｅ —ｌ ＷＡ Ｇ Ｍｉｇ—ｚｏ Ｊ Ｚ ｉ ｊｎ Ｙ ｈｕ ，Ｉ ｈ — ｕ
（ ． ｕｙｎ ｅｒ ｇＳ ｉ ｃ ｎ ｅｈｏｏｙＣ ． Ｌｄ ，ｕ ｙｎ ４ １３ ， ｈｎ ；．ｈ ｉｎ ｏｔ ｅｔ Ｘ ｎｈ ｎＧ ｏｐ １Ｌ ｏａｇＢ ａ ｎ ｃ ｎｅａ ｄＴ ｃｎｌｇ ｏ ， ｔ． Ｌ ｏａｇ ７ ０９ Ｃ ｉａ２ Ｚ ￣ ａｇＣ ｎｉ ｎｓ ｉｃｕ ｒｕ ｉ ｅ ｎ
９
２ 化 学成分
采用直读光谱仪 对外圈化学成分进行 测定 ， 结果见表 １ 符合 Ｇ ／ ２ －２０ （ ， Ｂ Ｔ１ ２ ０７ 弹簧钢》 ２ （ 标准 的规 定 。
Байду номын сангаас
作 者简 介 ： 梅亚 莉 ， ， 女 高级 工 程 师 ， 主要 从 事 轴 承材 料 、 热 处理工艺研 究和轴 承失效分析 。
ｍｅ ｒ ｌ ｎ ｆｏ ｔｒｒｎ ．Ｔ ｅ ｒ ｓ ｌ ｈ ｗ ｔ ａ ｈ ｒｃｕ ｅ ｆ ｉ ｒ ｆｈ ｂ ｕ ｉ ｂ ａｉ ｇ ｉ ｍａｎ ｙ ｃ ｕ ｅ ｙ ｔ ｅ ｒ ｓ ｔ ｃ ｐ ａ ｅ ｏ ｕ ｅ ｉ ｇ ｈ ｅ ｕ ｔ ｓ ｏ ｈ ｔｔ ｅ ｆ ｔ ｒ ａｌ ｅ ｏ ｕ ｎ ｔ ｅ ｒｎ ｓ ｉ ｓ ａ ｕ ｉ ｌ ａ ｓ ｄ ｂ ｈ ｅ ｔ ｓ ｒ ｋ ｇ ｏｅ ｈ ｎ ａ ｅｈ ｌ． ｉ Ｋｅ ｒ ｓ ｕ ｅ ｒｎ ；ｏ ｔｒｒｎ ；ｓ ｅ ５ ｙ ｗｏ ｄ ：ｈ ｂ ｂ ａｉ ｇ ｕ ｅ ｇ ｔ ｌ Ｍｎ；ｉ ｄ ｃｉ ｎ ｑ ｅ ｃ ｉｇ；ｆ ｃｕ ｅ ｆｉ ｒ ｉ ｅ ６ ｎ ｕ ｔ ｕ ｎ ｈｎ ｏ ｒ ｔｒ ａｌ ｅ；ｓ ｒｎ ａ ｅ ｈ ｌ ａ ｕ ｈ ｋ ｇ ｏｅ ｉ
高原地区车辆轮毂轴承润滑脂失效分析及对策
１ 在 控制应 力模 式下 ， ） 测试 不 同润滑脂 在 ８ ，２ ，５ ０ １０ １０℃ 随应 变增 加 时储能模 量 和损耗 模量 的变化 过程 。 ２ 在控制 应变模 式 下 ， ） 测试 不 同润滑 脂在 ８ ，２ ，５ ０ １０ １０℃
表 ２ 试验样 品名称及编号
Ｔ ｂ ２ Ｔ ｅ ｎ ｍｂ ｒ ｎ ａ ｓ ｏ ｓ ａ ｌ ｓ ａ ． ｈ ｕ ｅ ｓａ ｄ ｎ ｍｅ ｆｔ ｔ ｍｐ ｅ ｅ ｓ
样品编号
１ 号 ２号 ３号 ４号
样品名称
自制 Ｈ Ｐ脂 ＭＰ一３脂
表观黏度与剪切应力随剪切速率变化的过程。
３ 采 用 Ｈ ｒｃｅ—ｕ ｌ ） ｅｓｈｌ ｌｅ Ｂ ｋ ｙ模 型 ， 合 控 制 应 变 模 式 下 在 拟
通过对高原地区运输车辆润滑脂的使用状况进行调研 ， 发现该地区车辆轮毂轴承使用的汽车通用锂基
脂在行驶过程 中变稀并甩脂流失 ， 分润滑脂甚至甩 到轮胎 、 部 刹车片上 ， 严重威 胁行 车安全 ， 同时造成 资源大
量浪费。运输部门先后换用 ２号复合锂基润滑脂和 ３ 号通用锂基脂 ， 仍不能满足使用要求。对高原地 区车
６ ０
后
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
勤
工
程
学
院
学
报
因素 ， 估计高原地区行车过程中的轮毂轴承温度为 １０℃左右。 ５
１３ 润 滑脂 流变 学分 析 ．
１ ３ １ 实验 仪 器 ．．
Ａ ｔ ａｒ ｎ ｎＰａ 旋转流变仪 。 ｏ
１ ３ ２ 实验条件 ．．
锥板 直径 ２ ｍ， ５ｍ 锥度 ｌ ， 。间隙 ０ ０８ｍ ．４ ｍ。
根据高原地 区柴油车的技术参数及实际使用工况 ， 使用 Ｃ Ｍ Ｏ ｕ ｉ ｙ ｃ 软件对连续制动情况下 Ｏ Ｓ ＬＭ ｌ ｈｓ ｓ ｔ ｉ ｐ 制动鼓 、 轮毂轴承的温度场分布及温升过程进行计算机模拟仿真计算 ， 分析 了高原地 区特殊地理环境下 ，
重型汽车制动轮毂疲劳断裂失效分析
１ 、情况介绍
ＱＴ ４ ５ ０ ． １ ０ ，采 用铸 态工 艺 。为 了减 少经 济损 失 ，避 免此类 事件 再 次发 生 ，本文 对制 动轮 毂进 行 了断裂 成 因分 析 。
２ 、理 化 检 验
２ ． １ 宏观检 查
断裂 制动 轮毂 零件 沿 轮胎连 接 螺栓 处呈 环状 断 裂 ，断 裂零件 外 观形貌 见 图 １ ，环 状 断裂部 分外 观
Ｌｉ Ｌｉ ｎ ｌ ｉ ｎ． Ｂａ ｉ Ｐｅ ｉ ｑ ｉ ａ ｎ
（ Ｓ ｈ ａ ｎ ｘ ｉ Ａ ｕ ｔ ｏ ｍｏ ｂ ｉ ｌ ｅ Ｇ ｒ ｏ ｕ ｐ Ｃ ｏ ． ， Ｌ ｔ ｄ ． Ｑ ｕ ａ ｌ ｉ ｔ ｙ Ｍａ ｎ ａ ｇ ｅ ｍｅ ｎ ｔ Ｄ ｅ ｐ ａ ａ ｍｅ ｎ ｔ ， Ｓ ｈ ａ ａ ｎ ｘ ｉ Ｘ ｉ ’ ｎ ａ ７ １ ０ ２ ０ ０ ）
的重 要部件 ，它还 承受 着转 弯 时 的横 向载 荷 、驱 动
开始 ， 向四周推 进呈 弧形 ，它 垂直 于疲 劳裂 纹扩 展 方 向。 由断 口宏 观形 貌可 知 ，两处 疲 劳源均 位 于螺 栓 孔 处 附近 的圆 弧过 渡 处 附近 （ 如 图 ４ 箭 头所 示
作者简介 ： 李琳 琳 ， 就职 于陕西汽车集 团有限责任公 司 ， 主 处） ， 疲 劳扩展 区域较 大 ， 最后 瞬断 区域面 积则 较小 。 要从事金相分析和失效分析方面研究工作。
汽 午 实 用 技 术 ］ 二 艺 ・设 备 ・材 料
ＡＵＴＭＯＢＩＬＥ ＡＰＰＬＩ ＥＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
２ ０ １ ３ ｑ： 第９ 期
２０１ ３ Ｎ０．９
重型汽 车制动轮毂疲劳断裂失效分析
李琳琳 ，白培谦
（ 陕西 汽车 集 团有 限责任 公司质 量管 理部 ， 陕西 西 安 ７ １ ０ ２ ０ ０ ） 摘 要 ：重 型汽 车制 动轮 毂 在使 用过 程 中发 生疲 劳断裂 事 故 。对 断裂零 件 失效形 貌 、断 口分 析 、 理 化指 标测试 ，发现 是 因制动轮 毂零 件外 端轴 承与 相对 的轴承 孔之 间无法 保持 过盈配 合 ，引起 轴
基于Ansys Workbench的重型汽车驱动桥制动底板故障仿真分析
HEAVY TRUCK《重型汽车》8□文/王传法(中国重汽集团济南桥箱有限公司)徐秀良 肖 将(中国重汽集团技术发展中心)【摘要】基于某重型汽车整车试验出现的制动底板故障，分析故障位置处的装配结构和载荷情况，在Ansys Workbench 环境中进行仿真分析，得到了制动力矩作用下的应力分布云图。
根据仿真结果，分析故障产生的原因。
1 故障描述和初步分析根据前期某重型汽车整车试验反馈，后驱动桥出现制动底板断裂故障，如图1所示。
图1 零件断裂位置图制动底板凸轮轴安装孔两侧20度附近，沿径向出现断裂。
2 制动底板处的结构和受力分析制动底板通过螺栓联接在桥壳上，制动凸轮轴和制动蹄支承销安装在制动底板安装孔上，如图2和图3所示。
制动蹄处产生的制动力矩经过支承销和凸轮轴传递到制动底板上。
因此，认为车桥制动力矩是导致本次故障的原因。
图2 鼓式制动器安装图1.制动凸轮轴2.制动底板3.联接螺栓4.制动蹄支承销图3 制动底板结构图1.凸轮轴安装孔 2、3.螺栓安装孔 4.支承销安装孔3 仿真分析基于上述分析，在Ansys Workbench 环境中进行制动底板抗扭转强度校核计算。
由于零件断裂处的截面较为粗糙，显示为静载荷作用下的破坏。
因此，利用静力分析系统“Static Structural” 建立有限元模型。
3.1 加载方式和载荷计算根据制动底板是否松脱，分两种工况进行仿真分析。
工况1：螺栓联接处于正常预紧状态：需要固定底板法兰面，如图4所示。
工况2：螺栓联接松动失效状态：需固定18个螺栓孔。
制动蹄片受到的法向力、摩擦力以及作用点位置计算如下：两蹄片摩擦力等效作用半径：R 1=R 2=4R(cosα'-cosα'')/[(c o s 2α'-c o s 2α'')2+(2β-2sin2α''+sin2α')2]1/2=282mm式中R 为摩擦片半径，摩擦系数f=0.45，h 为销孔距，β为制动器摩擦片包角。
汽车轮毂轴承的两类剥落失效分析
第29卷第5期 中国矿业大学学报 V o l .29 N o .52000年9月 Jou rnal of Ch ina U n iversity of M in ing &T echno logy Sep .2000文章编号:100021964(2000)0520532204汽车轮毂轴承的两类剥落失效分析张雪萍,姚振强,俞亚波,王成焘(上海交通大学机械工程学院,上海 200030)摘要:通过对600套失效汽车轮毂轴承宏观特征分析统计和SE M 研究发现,汽车轮毂轴承的表面剥落有两种典型形式,一种为轴向扩展性片状剥落;另一种为周向等间距条状剥落.结合汽车轮毂轴承的结构特点及其在汽车运行过程中的动力学特征,提出了这两种表面失效的机理模型.认为轴承工作游隙过大是造成汽车轮毂轴承轴向扩展性片状剥落的主要原因;而运转过程中的微动损伤以及运转过程中的轴向冲击是造成周向等间距条状剥落的主要原因.优化轴承游隙并对滚动体进行合理鼓形修正可以减少轴向扩展性片状剥落;增强横向减振能力并减小轴承轴向游隙可以降低周向等间距条状剥落.关键词:轮毂承;剥落;游隙;微动磨损;轴向冲击中图分类号:U 463.2;TH 117.1 文献标识码:A 汽车轮毂轴承是汽车的关键零部件之一,它影响汽车行驶系统以及整车的安全性.分析轮毂轴承的失效机理对提高轮毂轴承的寿命、减少维修次数和增强整车的可靠性具有重要意义.汽车在运行过程中,轮胎与地面的作用使车轮既承受径向力又承受轴向力的作用.轮毂轴承组除受到上述两力外,还受到轴向力产生的弯矩作用.因而,汽车轮毂轴承大都采用成对使用的向心推力轴承.中国汽车轮毂轴承的早期失效率偏高,例如1996年汽车轮毂轴承综赔费用总计达人民币7000万元1为探究汽车轮毂轴承的失效特征和机理,本文对国内外9种约600套失效汽车轮毂轴承(汽车行程范围10～176km ,平均行程5～7万km ,轴承平均失效转数为18.5×106～25.9×106转)进行了失效分析1结果发现汽车轮毂轴承具有擦伤、磨损、腐蚀小坑以及滚动体断裂等多种失效形式,其中轴承滚动接触表现诱发型失效是最重要的失效形式,且以内外圈滚道表面及滚动体表面剥落所占比例为最高1轮毂轴承表面剥落失效具有两种形式.一种为轴向扩展性片状剥落;另一种是周向等间距条状剥落;本文将具体探讨这两类典型疲劳剥落的失效机理,以探求降低疲劳剥落的措施与对策.1 轮毂轴承两类剥落失效特性1.1 第一类剥落第一类剥落的宏观特征如图1,2所示.图1为前轮轴承的外圈滚道表面,图2为后轮轴承的内圈滚道表面.后轮轴承的内圈和前轮轴承的外圈都装配在汽车底盘上,在车轮运转时,两者都不发生宏观转动.由图1,2可见,剥落带在轴承周向呈一局部剥落,在轴承轴向从大端向小端扩展,形成连续片状剥落;同时,散布有麻点.第一类剥落的SE M图1 第一类疲劳剥落(前轮轴承外圈滚道)F ig .1 T he first type of flak ing failu re (at cup ’s racew ay fo r the fron t w heel bearings )收稿日期:20000121基金项目:上海市汽车工业科技发展基金(199821199A )作者简介:张雪萍(19722),女,河南省平顶山市人,上海交通大学机械工程学院博士研究生,从事传动机械系统失效机理研究.形貌如图3所示,剥落表现为层状扩展.一般地,在剥落区的表面下,有微裂纹萌生和扩展.这种剥落即是经常被提到的正常疲劳剥落[1].图2 第一类疲劳剥落(后轮轴承内圈滚道)F ig .2 T he first type of flak ing failu re (at cone ’s racew ay fo r the rear w heel bearings )图3 第一类疲劳剥落的SE MF ig .3 SE M fo r the first type flaking failu re1.2 第二类剥落第二类剥落特征如图4,5所示.图4为前轮轴承的外圈;图5为后轮轴承的内圈.在汽车运行过程中,两者都不发生宏观周向转动.可以看到在滚道表面周向等间距分布着条状剥落条纹.剥落条纹轴向长度与滚动体的长度接近.按照剥落条纹周向的分布范围,条状剥落可以分为两种方式,第1种为整周均布,称为A 型剥落条纹;第2种则分布在滚道某一弧长范围,称为B 型剥落条纹.按照剥落条纹周向分布密度,剥落条纹可以分为两种形式,图4 第二类疲劳剥落(前轮轴承外圈滚道)F ig .4 T he second type of flak ing failu re (at cup ’s racew ay fo r the fron tw heel bearings )图5 第二类疲劳剥落(后轮轴承内圈滚道)F ig .5 T he second type of flak ing failu re (at cone ’s racew ay fo r the rear w heel bearings )第1种,剥落条纹间距与滚动体间距相同;第2种,剥落条纹间距为滚动体间距的1 N (N 为大于1的正整数).第二类剥落的SE M 形貌如图6所示.微观上,可以观察到疲劳剥落带有粘着、撕裂和碾压的痕迹.图6 第二类疲劳剥落SE MF ig .6 SE M fo r the second type flak ing falu lu re2 剥落失效原因分析2.1 第一类剥落失效分析汽车轮毂轴承一般采用O 型(背对背)配置方式,圆锥滚子的大端在外.在汽车行驶过程中,车轮轴承要同时承受径向载荷(载重)和轴向载荷(惯性附加横向力);由于车轮半径的影响,轮毂轴承又要承受车轮与地面横向力的弯矩作用.在工作游隙不为零的情况下,弯矩的作用,将使滚动体大端与滚道表面优先发生局部接触,使滚动体及内外圈滚道承受过大的接触应力.在过大赫兹应力作用下,滚动体与滚道在接触表面下形成裂纹扩展,发展至接触表面后剥落.大端剥落发生后,滚动体与滚道的优先局部接触点沿轴向向小端内移,从而导致了剥落由大端向小端的扩展.另一方面,在滚道表面出现剥落后,当滚动体滚过剥落区域边缘时,由于应335第5期 张雪萍等:汽车轮毂轴承的两类剥落失效分析 力集中将导致剥落区域沿周向的进一步扩展.这样,就形成了车轮轴承的第一类剥落.2.2 第二类剥落失效分析第二类剥落的共同特征是剥落条纹在轴承滚道周向等间距分布.但是,A型剥落条纹和B型剥落条纹的形成机理不同,下面将分别探讨这两种类型剥落条纹的形成机理.2.2.1 A型剥落条纹的轴向冲击机理A型剥落条纹分布在轴承滚道整周,即剥落条纹不是局限于轴承的径向承载区域.这说明:1)径向载荷不是导致A型剥落条纹发生的主要原因;2)轴向载荷是A型剥落条纹发生的必备条件;3) A型剥落条纹一定产生于汽车运行工作过程中.基于以上分析,本文提出了A型剥落条纹的轴向载荷冲击机理.该机理包括:1)轴承的内部及轴承与座孔的轴向配合面间存在游隙(无轴向预紧或轴向预紧不够);2)运行中的汽车转向和摆动提供轴向惯性力即轴向载荷.因此,汽车运行中的轮毂轴承在不断的轴向冲击载荷(轴向振动)作用下,滚道周向在与滚动体对应的位置形成微裂纹并继续扩展.轴承滚道圈向剥落条纹的密度反证了该模型的合理性1当轴承外圈相对于内圈转动的频率与轴向载荷冲击频率相等或成整倍数时,剥落条纹密度小到Z条(Z是滚动体个数),A型剥落条纹程度最严重;当外圈相对于内圈转动的频率与轴向载荷冲击频率不成整倍数时,剥落条纹密度大,剥落程度较轻.2.2.2 B型剥落条纹的微动磨损机理B型剥落条纹分布于轴承的局部周向(即径向承载区)滚道上,剥落条纹的间距与滚动体间距相对应.这说明:1)径向载荷是B型剥落条纹发生的必要条件;2)径向承载区的滚动体在与滚道的轴向接触线(小面积)上发生了反复微小的滑动,造成疲劳剥落;3)B型剥落条纹应该产生于汽车的被动运输过程中,如船运或铁路运输.对被动运输汽车做终点检测时,发现从没有运行过的汽车轮毂轴承表面已有B型微小损伤1滚动体与其微动磨损模型如图7所示.在运输过程中,有人常常认为径向微动(冲击微动)应该比轴向微动(冲击微动)更易发生.事实上,因为汽车的径向减振比轴向减振好,轴向微动更容易发生.在汽车的被动运输过程中,路面不平度可以引起车轮轴承在接触点附近的微幅振动会产生微小的损伤条.助张了轮毂轴承后续主动行驶过程中失效几率和程度.图7 车轮轴承微动磨损模型F ig.7 F retting model fo r w heel bearings当汽车主动行驶时,原有的损伤条的微凸体粘着点的不断剪断以及新粘着点的重新粘结,该过程反复进行,将导致轮毂轴承滚道表面条型微动裂纹以及条形剥落的形成.并且,滚动体与条形剥落边缘的接触所引起的应力集中,将导致条形剥落沿周向扩宽.3 降低剥落失效的对策与措施本文分别从汽车车轮轴承两类疲劳剥落形成的不同机理,具体探讨降低疲劳剥落失效的对策.3.1 降低第一类剥落失效的措施第一类剥落失效是典型的接触疲劳失效[1].提高轴承寿命(即延长轴承循环次数)的有效途径是降低滚动体载荷.具体方法可利用数字技术(如大型的有限元和优化软件),通过对车轮轴承系统的整体动态优化设计实现1通过轮毂轴承的参数优化,一方面可使轴承的工作游隙接近于零,使负荷区的承载滚子数目增加;另一方面,使滚动体受载均匀,即通过对滚动体进行适当母线修正,避免滚动体端部与滚道接触产生过大应力,对数母线修正可以从理论上使得滚子接触压力经向呈半椭圆分布而轴向呈均匀分布,目前SKF公司拥有这方面的技术实力.3.2 降低第二类剥落失效的措施3.2.1 抗微动磨损对策微动磨损是同时涉及到粘着、磨粒、氧化和疲劳4种磨损机理的一种特殊磨损[2～4].如何有效减少甚至消除微动磨损一直是微动磨损领域的研究热点之一.各专家学者从不同角度提出了抗微动的观点和措施[5,6].从微动磨损形成的根本起因,可将抗微动磨损技术概括为3个方面:1)使产生微动的两个接触表面完全分离(如磁悬浮轴承);2)完全消除或减少两接触面的相对运动(如使载荷增加到足够大);3)选择有良好抗微动磨损的材料(如摩擦副表面镀抗微动层,润滑脂中加入抗微动添加剂).本文将结合车轮轴承的特点,提出车轮轴承抗微动摩擦的有效途径.435 中国矿业大学学报 第29卷轮毂轴承微动磨损存在的必要条件包括:轴承的径向载荷、滚动体与最大滚道接触处的微小振动.所以减少微动磨损的措施有:1)尽量减少轴承的游隙,降低单个滚动体的载荷,这可以通过轴承预紧等方法实现;2)轮毂轴承内部及其安装的润滑脂中添加抗微动磨损的极压添加剂;3)运输过程中使车轮旋转,可以使滚动体与滚道的接触区域改变,从而有效减弱车轮轴承的微动磨损;4)轮毂轴承的表面镀抗微动磨损材料;5)增强运输过程中的减振,缩小微动的幅值,将有效降低微动磨损.3.2.2 轴向冲击载荷对策根据轴向冲击形成的机理,降低B 型剥落的有效措施有:1)增强汽车运行过程中的横向减振能力,减轻轴向的冲击载荷.例如在轴向增加弹簧垫片;2)尽量减少轴承的轴向游隙,降低轴向冲击的幅度.这可以通过轴承装配过程的选配轴向垫圈厚度来实现14 结束语1)表面诱发型疲劳失效是轮毂轴承的主要失效形式.2)轮毂轴承的表面失效有两种主要的失效类型:一种是接触疲劳造成的延续剥落;另一种是微动与冲击造成的等间距条状剥落.3)降低第一种剥落的主要措施是通过轴承系统的动态参数优化设计,使轴承工作游隙尽量接近于零,增加承载的滚动体数目;通过滚动体的鼓形修正,使滚动体载荷尽可能均匀分布.降低第二种剥落的有效途径是减低汽车被动运输中的微动裂纹,在车轮轴承中添加极压添加剂、增强横向减振措施、避免轴向过载冲击.参考文献:[1] 万长森1滚动轴承的分析方法[M ].北京:机械工业出版社,1985.1482150.[2] 何明鉴1机械构件的微动疲劳[M ].北京:国防工业出版社,1994.729.[3] 邵荷生1摩擦与磨损[M ].北京:机械工业出版社,1993.3442369.[4] M ervin H ,Jones ,Douglas Sco tt .Indu staial tribo lo 2gy [M ].Am erica ,N ew Yo rk :E lsevier Scien tific Pub lish ing Company ,1983.18219.[5] Zhou Z R .Grease lub ricati on in fretting [J ].Jou rnalof T ribo logy ,1998,120(4):7372742.[6] L eheup E R .F retting w ear of sin tered iron underlow no rm al p ressu re [J ].W ear ,1998,221:86293.Investigati on on Tw o T yp icalF lak ing Failu res of A u tom ob ile W heel BearingsZHAN G Xue 2p ing ,YAO Zhen 2qiang ,YU Ya 2bo ,W AN G Cheng 2tao(Schoo l of M echan ical Engineering ,Shanghai J iao Tong U n iversity ,Shanghai 200030,Ch ina )Abstract :B ased on m acro 2ob servati on and m icro 2SE M analysis of the 600sets of failu re bearings tw o typ ical flak ing failu res w ere revealed in au tom ob ile w heel bearings .T he first typ e of flak ing takes p lace at the racew ay near cone back face o r cup fron t face ,and develop s along the ax ial directi on .T he o ther typ e of flak ing distribu tes equally along circum ference in grid fo rm .Con sidering the characteristics of the au tom ob ile w heel hub bearings and its dynam ics du ring runn ing ,tw o related m echan is m m odels w ere develop ed .Too large w o rk ing clearance shou ld accoun t fo r the first typ e of flak ing failu re ,and fretting w ear du ring tran spo rtati on and ax ial i m p acting du ring runn ing shou ld be respon sib le fo r the sec 2ond typ e of flak ing failu re .In o rder to reduce au tom ob ile bearing flak ing ,it is suggested to op ti m izebearing clearance and ro ller p rofile and to dam p ax ial vib rati on .Key words :w heel bearing ;flak ing ;clearance ;fretting w ear ;ax ial i m p act535第5期 张雪萍等:汽车轮毂轴承的两类剥落失效分析 。
我国重型汽车车桥历史、现状及发展趋势
我国重型汽车车桥历史、现状及发展趋势郑娟英【摘要】简要介绍我国重型汽车车桥的发展历史和现状,主要制造商及其产品,技术发展水平,对比国外先进车桥技术,分析和总结我国重型汽车车桥的发展趋势及发展对策.【期刊名称】《汽车实用技术》【年(卷),期】2010(000)002【总页数】6页(P19-24)【关键词】重型车桥;轮边减速器;单级减速驱动桥;发展趋势【作者】郑娟英【作者单位】陕西汉德车桥有限公司【正文语种】中文重型汽车通常是指总重大于 15吨的重型卡车、军用越野汽车以及长度大于10米的大客车等产品。
根据以上重型汽车的划分标准及我国轴荷相关法律、法规的要求，通常所谓的重型车桥是指轴荷10吨以上，单桥牵引力大于25吨的车桥产品。
无论从价格还是技术层面上，重型车桥是重型汽车比肩发动机和驾驶室的三大核心总成之一，承受着汽车的满载簧上荷重及地面经车轮、车架或承载式车身经悬架给与的铅锤力、纵向力、横向力及其力矩，以及冲击载荷；驱动桥还传递着传动系中的最大扭矩，桥壳还承受着反作用力矩。
汽车车桥的结构形式和设计参数除对汽车的可靠性与耐久性有重要影响外，也对汽车的行驶性能如动力性、经济性、平顺性、通过性、机动性和操纵稳定性等有直接关系。
因此，车桥对整车极其重要，重型车桥的技术水平直接影响着重型汽车的技术水平、可靠性。
1.我国重型商用车桥产品的发展历程及目前的情况我国重型车桥按照结构划分，主要有两种，一种是带轮边减速器的双级减速驱动桥，主要技术以上世纪80年代引进的STEYR技术为典型代表；另一种是单级减速驱动桥，主要技术以日产柴技术为代表的东风460和解放457。
1.1.我国重型商用车桥产品的发展历程随着上世纪 80年代，为解决我国汽车行业“缺重少轻”现象，当时中国重型汽车集团公司引进奥地利STEYR汽车公司的91系列重型汽车，重型STEYR车桥产品也随之进入我国，目前该产品已经成为我国重型车桥市场的主流产品。
上世纪 90年代，解放和东风公司相继引进日产柴技术，成功开发了DF460和FAW457系列单级减速驱动桥，与引进的 STEYR轮边减速驱动桥共同构成了我国重型车桥的主体。
汽车轮毂轴承疲劳失效分析及预防研究
汽车轮毂轴承疲劳失效分析及预防研究中文摘要汽车轮毂轴承疲劳失效分析及预防研究中文摘要汽车轮毂轴承是汽车底盘及传动机构中非常重要的零部件之一，作用主要是承受汽车的重量及为轮毂的传动提供精确的向导。
轮毂轴承既承受径向载荷又承受轴向载荷，当汽车在斜面上转弯时还受到轴向力产生的弯矩作用，是一个非常重要的安全件，同时也是易损坏的零部件。
轴承的失效模式按照ISO 15243:2004(E)中的定义主要有疲劳、磨损、腐蚀、电腐蚀、塑性变形和破裂。
在正常使用条件下，轴承主要的失效模式是疲劳。
随着国内汽车产量不断攀升，2009年已经突破1000万台，轮毂轴承的产能也急剧增长，随之而来的汽车使用与保养尤其是属于安全件的轮毂轴承的使用及保养注意事项也需要有专门的人员参与研究。
通过对国外第一和第二代轮毂轴承（FAG）失效模式的统计和分析发现,在保修期内，最常见的失效模式是疲劳损伤，包括局部浅层疲劳和表层疲劳两种失效形式，具体表现为内外圈滚道和滚动体表面有疲劳裂纹或材质剥落。
结合轮毂轴承工作特点及对失效轴承的组织、硬度、材料和润滑状况分析，提出造成轴承疲劳失效的原因大多与轴承设计、轴承体材质、工艺关系甚小，而润滑不良致使润滑油膜形成不理想或游隙过大致使接触面滑动时，除在接触表面存在赫兹应力，还会在接触表面下方产生交变剪切应力，这种剪切应力会导致表面的材质疲劳而产生疲劳裂纹，然后扩展到表面形成材质剥落。
本文通过对汽车轮毂轴承零组件设计及润滑系统的客观分析以及对轮毂轴承疲劳失效成因的详细阐述，目的希望汽车使用者能更好的去预防疲劳失效，避免造成更多的，不必要的损失。
关键词：轮毂轴承；FAG；疲劳失效；滚道；滚动体；游隙；赫兹应力作者：陈雪峰指导教师：卫瑞元Abstract Failure Analysis & Prevention of Wheel bearing of Automobile due to FatigueFailure Analysis & Prevention of Wheel bearing ofAutomobile due to FatigueAbstractWheel bearing is one of the most important part in chassis and transmission of the Vehicle, which stands the weight and guides. On wheel bearing there are different force and torque, it’s a part related with safety.About deformation is described as ISO 15243:2004(E), there are fatigue failure, wear limit, corrosion wear, plastic deformation and broken, mostly is fatigue failure.With the development of the automotive industry, the demand of wheel wearing raises rapidly. So more and more people concern with the bearing.Analyzing the data of FAG, within the warranty there are deformations, partial shallow fatigue and surface, which can be found at wrinkle and material peeling from inner and outer trail and rolling surface. According to a series of FAG about metallographic structure, hardness and lubrication, This thesis concludes the result proposes that such failures are independent of material choice and manufacturing technology, the main cause are due insufficient lubrication and excessive clearance, besides Hertz force the varying stress are applied. This stress can cause surface material fatigue, as well as wrinkles and material peeling off.In this thesis, analyses the causes of the deformation, and suggests the user how to use the bearing efficient.Key words: Wheel bearing,FAG, fatigue failure, raceway, rolling elements, clearance, Hertz stressWritten by：Chen XuefengSupervised by：Wei RuiYuan苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明学位论文独创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。
重型货车驱动桥桥壳结构分析及其轻量化研究
重型货车驱动桥桥壳结构分析及其轻量化研究一、本文概述随着全球经济的不断发展和贸易活动的日益频繁，重型货车作为物流运输的重要工具，其性能和效率的提升成为了行业关注的焦点。
作为货车关键部件之一，驱动桥桥壳的结构设计和轻量化研究对于提高货车的承载能力和燃油经济性具有重要意义。
本文旨在深入分析重型货车驱动桥桥壳的结构特点，探讨其受力特性和优化设计方案，并在此基础上研究轻量化技术在桥壳结构中的应用，以期达到提高货车性能、降低能耗和减少环境污染的目的。
文章首先将对重型货车驱动桥桥壳的基本结构进行概述，介绍其常见的材料、制造工艺以及结构形式。
随后，通过有限元分析等数值计算方法，对桥壳在不同工况下的受力状态进行详细分析，揭示其应力分布规律和失效模式。
在此基础上，结合结构优化设计理论，提出改进桥壳结构的方案，以提高其承载能力和耐久性。
接下来，文章将重点探讨轻量化技术在重型货车驱动桥桥壳结构中的应用。
通过对比分析不同轻量化材料的性能特点，研究其在桥壳结构中的适用性。
结合先进的制造工艺和结构设计理念，探索实现桥壳结构轻量化的有效途径。
通过对比分析轻量化前后的桥壳性能变化，评估轻量化技术在实际应用中的效果和潜力。
文章将对重型货车驱动桥桥壳结构分析和轻量化研究的成果进行总结，并展望未来的研究方向和应用前景。
通过本文的研究，旨在为重型货车的设计和制造提供有益的参考和指导，推动物流运输行业的可持续发展。
二、重型货车驱动桥桥壳结构分析重型货车驱动桥桥壳作为车辆动力传递和承载的关键部件，其结构设计对于整车的性能和使用寿命具有至关重要的影响。
桥壳的主要功能是支撑车轮和差速器，并传递来自发动机和传动轴的扭矩，因此，其必须具备足够的强度和刚度，以承受复杂多变的工作环境和载荷条件。
桥壳的结构通常分为整体式和分段式两种类型。
整体式桥壳具有较高的结构刚性和强度，适用于承载要求较高的重型货车。
分段式桥壳则通过分段设计，实现了桥壳的轻量化，同时在一定程度上降低了制造成本。
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8 郭秋艳，庞 浩，邓 磊 . 基于 ANSYS 的轿车轮毂轴承内法兰盘 的力矩刚性分析． 机械设计与制造，2010； （ 7） ： 210—212
9 陈家瑞 . 汽车构造（ 下） 第三版 . 北京： 机械工业出版社，2009 10 王望予 . 汽车设计（ 第 3 版） . 北京： 机械工业出版社，2004
2 有限元模型的建立
2012 年 7 月 25 日收到 第一作者简介： 杨 英（ 1975—） ，女，硕士，讲师。研究方向： 车辆工 程。E-mail： yangying1213@ 163. com。
2. 1 有限元分析模型 应用 SolidWorks 建立三维实体模型，建立三维
实体模型时进行了如下简化［7］： 1） 由于左右轮毂结 构和边界 条 件 的 对 称 性，建 立 结 构 的 一 半 的 模 型，
毂轴承法兰盘的力矩刚性进行有限元分析。但重 型汽车轮边减速器轮毂轴承外圈与轮毂之间配合 失效相关分析未见报道。
为此，现采 用 有 限 元 分 析 方 法，分 析 大 径 向 载 荷下圆锥滚子轴承外圈和轮毂支承之间的接触和 应力分布，从而为轮边减速器轮毂尤其是重型汽车 轮边减速器轮毂设计提供分析方法和指导。
［Abstract］ Based on the finite element analysis method，the contact stress distribution at the hub bearing surplus coupling place was analyzed，under the big radial direction load，of some heavy vehicle real-wheel drive. The results show that： the greatest stress easily appears at the bottom side of the small hub bearing． In the maximum load conditions，the greatest stress is more than materials yield limit of the wheel hub，a skid phenomenon happened between the small hub bearing and the wheel hub，and failing cooperation caused． To solve the development of failing cooperation between hub bearing outer ring and the wheel hub in heavy vehicle，the high yield limit material is needed to adopt. ［Key words］ finite element analysis hub bearing radial direction load failing cooperation
为全面的考察结构不同状况下的接触应力，确 定在四种分析工况（ 见表 2） 下进行分析。
工况
1 2 3 4
表 2 四种分析工况
板簧座 载荷 /N
1. 2 × 105
1. 2 × 105
约束
轮毂支承
桥壳
螺栓孔处
对称面
x、y、z 向 x 向移动
的全约束 3 个转动
y、z 向移动
X 向移动 3 个转动
轮毂轴承 配合过盈量
最大过盈量 最小过盈量 最大过盈量 最小过盈量
12 卷
3 计算结果及分析
经过计算，各分析工况下轮毂轴承配合处的应 力云图见图 5，图 6。
工况 1 下轮毂轴承外圈与轮毂支承的接触部分 最大应力为 222 MPa，位置在小轴承的下侧，见图 5a） ； 而工况 2 下轮毂上的应力最大为 224 MPa，位 置仍在小轴承的下侧，与工况 1 相比，在小轴承下侧 大应力分布区域更广。轮毂支承材料屈服强度为 270 MPa。在轮毂支承螺栓紧固连接有效条件下， 车轮没有 侧 滑，最 大 应 力 没 有 超 出 材 料 的 屈 服 极 限，轮毂轴承过盈配合有效。
12 t（ 即 120 000 N） 。重型汽车取动载系数为 2［10］， 则通过不平路面时的载荷为 24 t，单侧载荷为 12 t， 作用于钢板弹簧座处。
（ 2） 在汽车运行过程中，轮胎可能既有侧滑，也 有变形，因 此，轮 毂 支 承 在 连 接 螺 栓 孔 处 的 位 移 约 束考虑两种极限状态： ①螺栓孔上 x、y、z 三个自由
在轮毂轴承分析方面，王秋成等［1］进行了深冷 条件下轮毂轴承疲劳寿命强化试验，发现失效零件 大部分为轴承内、外圈沟道疲劳失效。李永庆等［2］ 利用 ANSYS 软件分析了第三代汽车轮毂轴承单元 的强度，获得了各零件的应力分布。王大力等［3］介 绍了 ANSYS 软件在求解轴承接触问题中的应用。 徐浩等［4］研 究 了 基 于 单 个 滚 子 与 滚 道 接 触 确 定 滚 子凸度的 有 限 元 法。 张 雪 萍［5］ 将 单 个 滚 子 与 滚 道 接触简化为一根满足赫兹接触理论的弹簧，并以此 为基础建立了对轮毂轴承进行有限元分析的接触 － 挠曲耦合模型。J. Murata ［6］在使用有限元法进行 轴承内圈蠕变研究时，也使用赫兹理论对滚子 / 滚 道的接触 进 行 了 简 化。 王 彦 伟 等［7］ 建 立 了 轮 毂 轴 承整体三维有限元接触分析模型的建模准则，并验 证了有效性。郭秋艳［8］应用 ANSYS 软件对轿车轮
图 5 轮毂轴承配合处应力云图（ 车轮无侧滑时）
的屈服极限，轮毂轴承过盈配合处容易发生塑性变 形，从而使过盈配合失效； 且轮毂轴承配合过盈量 越大，接触应力越小。
工况 3、4 和工况 1、2 对比，可以发现，约束轮毂 支承处连接螺栓 X 向移动，即是否允许车轮发生侧 滑对最大应力的影响明显。宜尽量减小螺栓连接 处的轴向游隙。
并施加恰当的约束条件进行分析； 2） 由于主要关心 轴承外圈和轮毂支承之间的接触和应力分布，只保 留轮毂支承和两个轴承的实体模型，而将桥壳简化 为管单元，桥壳和轴承内圈之间的接触简化为刚性 连接。为了 减 少 接 触，两 个 轴 承 处 理 为 一 体，有 限 元模型见图 3。 2. 2 网格模型
该有限元模型包含 84 689 个六面体单元，8 433 个楔形单元，33 个管单元，网格模型见图 4。 2. 3 材料模型
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科学技术与工程
度的全约束； ②在轮毂支承螺栓孔释放 X 向移动， 即约束螺栓孔 y、z 向的移动。
（ 3） 桥壳结构左右对称，只需在桥壳对称面约 束 X 向移动和三个转动自由度。
（ 4） 分别设定轴承和轮毂支承为接触变形体单 元。将轮毂轴承和轮毂支承之间设置为接触，因为 两个轴承外圈和轮毂支承之间是过盈配合，在接触 表中设置过盈量。过盈量是一个区间，为全面考察 过盈量对结构的影响，考虑两种极限状态： ①两个 接触是最大过盈量 0. 034 mm； ②两个接触都是最小 过盈量 0. 015 mm。
参考文献
1 王秋成，王 磊，林 琼，等 . 深冷条件下轮毂轴承疲劳寿命强化 试验． 低温工程，2010； （ 2） ： 28—31
2 李永庆，颜 波 . 有限元分析在汽车轮毂轴承单元中的应用． 农 业装备与车辆工程，2008； （ 8） ： 29—30
3 王大力，孙立明 . ANSYS 在求解轴承接触问题中的应用． 轴承， 2002； （ 9） ： 1—4
要元分析 轮毂轴承 径向载荷 配合失效
中图法分类号 U463. 343；
文献标志码 A
重载车辆驱动桥一般采用单级减速的主传动 和轮边减速器，以获得较大的最小离地间隙和传动 比。但在大径向载荷作用下，轮毂轴承外圈与轮毂 的过盈配合处容易产生塑性变形，从而引起过盈配 合失效，发 生 打 滑 现 象。 因 而，在 设 计 和 评 估 过 程 中往往需要对轮毂轴承配合进行失效分析。
杨 英 雷 刚 征小梅
（ 重庆理工大学重庆汽车学院，重庆 400054）
摘 要 采用有限元分析方法，分析了大径向载荷作用下某重型汽车驱动桥轮毂轴承过盈配合处的接触应力分布。结果表
明： 最大应力容易出现在内侧轮毂小轴承的下侧，且在最大载荷工况下，最大应力超过了轮毂支承材料的屈服极限，内侧轮毂
小轴承与轮毂支承间易于发生打滑现象，从而造成轮毂轴承配合失效。为解决重型汽车轮毂轴承配合失效问题，轮毂支承需
工况 3 下，忽略螺栓孔上为施加约束所致的应 力集中，最大应力为 297 MPa，在小轴承靠下侧，如 图 6a） 。工况 4 下，忽略螺栓孔上为施加约束所致 的应力集中，应力分布如图 6b） ，最大应力也是在小 轴承靠下一侧，最大应力为 332 MPa。轮毂支承材 料为铸钢，屈服极限为 270 MPa。当轮毂支承螺栓 连接松旷、车 轮 发 生 侧 滑 时，最 大 应 力 超 出 了 材 料
Failing Cooperation Analysis on Hub Bearing of Heavy Vehicle Real-wheel Drive
YANG Ying，LEI Gang，ZHENG Xiao-mei
（ Chongqing Automobile Institute，Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，P． R． China）
第 12 卷 第 34 期 2012 年 12 月 1671—1815（ 2012） 34-9256-04
科学技术与工程
Science Technology and Engineering
Vol. 12 No. 34 Dec． 2012 2012 Sci. Tech. Engrg.