微型汽车半轴支承轴承性能优化及相关理论与试验研究

摘要

随着国民经济的快速发展，我国汽车保有量不断增加，由于使用汽车而导致的燃油消耗量也在逐年增长。汽车燃油的大量消耗造成的最直接后果就是尾气排放量的急剧增加，造成了巨大的环境污染。为积极应对形势越来越严峻的环保问题，与汽车行业相关的各种法律法规也正在变的越来越严格。提高汽车燃油经济性，减少汽车产品使用过程中的环境污染，已经成为所有汽车企业面临的一项重大课题。
　　由于传动系统的技术状况对汽车的燃油经济性具有较大影响，因此提高汽车传动系统的传动效率对于改善汽车燃料经济性具有重要意义。为了有针对性地开展传动系统优化工作，本文设计了一种适用于前置后驱车型的传动系统内部阻力分配测试方法，利用该方法对几款国产微型汽车进行诊断，发现半轴支承轴承的摩擦功率损失过大是影响国产微型汽车燃油经济性的重要原因之一。
　　因此，本文选择半轴支承轴承（包括差速器轴承和轮毂轴承）为研究对象，以提高汽车传动系统的传动效率为研究目的，从半轴支承轴承的结构优化、差速器轴承的预紧力控制以及轮毂轴承工作游隙的控制等几个方面开展了详细研究。主要研究工作可以概括为以下几个方面：
　　（1）构建了差速器轴承多目标优化设计的数学模型，利用遗传算法对差速器轴承内部结构参数进行了优化求解，并通过试验测试对数学模型的有效性进行了验证。基于摩擦力矩测试，研究了轮毂轴承摩擦力矩与填脂量之间的关系，通过曲线拟合建立了两者之间的数学关系式，并验证了关系式的可靠程度。通过开展试验测试，研究了轮毂轴承密封的结构形式对摩擦力矩的影响。结合微型汽车的具体应用，针对当前轮毂轴承使用过程中存在的问题与不足，设计了一款外形结构经过优化的非标轮毂轴承，并对该非标设计方案进行了数值模拟分析，分析结果表明：与原来方案相比，该非标设计方案不仅可以改善轮毂轴承的接触应力分布，而且能够提高轮毂轴承的疲劳寿命。
　　（2）基于赫兹理论和能量理论，构建了预紧状态下微型汽车差速器轴承摩擦力矩的数学模型。建立了微型汽车差速器轴承的数值模型，并验证了数值模型的有效性。利用差速器轴承的数值模型，对差速器轴承的预紧变形量与预紧力之间的关系进行了研究，并分析得出了预紧变形量与预紧力之间的数学关系式。结合微型汽车的具体工作条件，对差速器轴承开展受力分析，计算得出了差速器轴承预紧时所需的最小预紧力，进而确定了对应的最小预紧变形量。研制了一款专门用于微型汽车驱动桥传动效率测试的试验台，并设计了一种微型汽车驱动桥传动效率的测试方法。利用所研制的试验台开展测试，研究了差速器轴承的预紧变形量大小对微型汽车驱动桥传动效率的影响规律。
　　（3）通过系统研究影响轮毂轴承工作游隙的关键因素，构建了一个综合考虑轴承配合、内部温差及外界负载等因素的工作游隙数学控制模型，并对该数学模型的可靠性进行了验证。基于微型汽车的行业特点与制造水平，设计了一套能对微型汽车轮毂轴承工作游隙进行精确控制的方法，通过对轮毂轴承进行优选从工艺上实现了对轮毂轴承工作游隙的精确控制，克服了传统方法通过采用推荐值来控制轴承工作游隙的局限性。基于静力学建立了轮毂轴承内部载荷分布的数学模型，根据L-P疲劳寿命理论，对轮毂轴承疲劳寿命与工作游隙之间的关系进行了仿真分析，结果表明：当工作游隙控制在-10μ与10μ之间时，轮毂轴承可以获得较为理想的疲劳寿命。在此基础上，通过台架试验研究了轮毂轴承工作游隙的大小对驱动桥传动效率的影响，通过比较分析，得出了一组较为理想的轮毂轴承工作游隙范围值。
　　（4）在以上研究的基础上，通过开展整车试验测试对相关研究成果进行了验证，测试内容包括综合油耗测试和传动系统阻力测试，试验表明：本文有关半轴支承轴承的研究成果应用于某款微型汽车的传动系统，可使微型汽车的整车综合油耗降低0.4 L/100km以上，传动系统内部阻力降低约40％，具有很好的工程应用价值。

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第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 半轴支承轴承传动性能对微型汽车燃油经济性的影响

1.3国内外研究现状与发展趋势

1.4 课题来源、研究目的及意义

1.5 研究内容和章节安排

第2章 基于摩擦力矩的半轴支承轴承结构优化

2.1 滚动轴承的摩擦功率损失与摩擦力矩

2.2 内部参数对差速器轴承摩擦力矩影响的研究

2.3 轮毂轴承的结构设计及参数优化研究

2.4 本章小结

第3章 差速器轴承预紧力控制研究

3.1 差速器轴承预紧简介

3.2 预紧力对差速器轴承摩擦力矩的影响分析

3.3 预紧力作用下差速器轴承预紧变形量的数值模拟分析

3.4 差速器轴承最小预紧变形量的确定

3.5 差速器轴承的预紧变形量对驱动桥传动效率的影响

3.6 本章小结

第4章 轮毂轴承工作游隙的控制研究

4.1 概述

4.2 轮毂轴承工作游隙的影响因素分析及控制模型

4.3 工作游隙对轮毂轴承疲劳寿命的影响

4.4 轮毂轴承工作游隙对驱动桥传动效率影响的试验研究

4.5 本章小结

第5章 半轴支承轴承性能对整车燃油经济性的影响

5.1 综合油耗试验

5.2 传动系统阻力测试结果及分析

5.3 成果的经济价值和环保意义

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 论文创新点

6.3 展望

参考文献

致谢

附录一 攻读博士学位期间发表论文和专利

附录二 作者攻读博士期间完成和参与的科研项目

附录三 项目结题证明及油耗检验报告