轮毂轴承建模与法兰盘弯曲疲劳强度校核方法

摘要

本发明公开了一种轮毂轴承建模与法兰盘弯曲疲劳强度校核方法，包括：（1）构建三维模型并形成装配体；（2）对三维数模进行网格划分，定义关联部件的材料属性；（3）按照关联部件之间的实际接触关系定义接触副，建立有限元模型；（4）对钢球采用非线性弹簧建模；（5）对内法兰与小内圈采用摩擦副进行设置，对内法兰的螺栓孔进行全约束，在距轮胎中心Rs位置处建立参考点，并在距轮胎中心Rs位置处的参考点施加径向的载荷F，在法兰盘的薄弱位置上标记多个关键点；（6）确定各关键点的平均应力，确定各关键点的应力幅；（7）生成等寿命曲线；（8）判断轮毂轴承的法兰盘的疲劳寿命是否满足要求。本发明能够评估轮毂轴承法兰盘弯曲疲劳强度。

说明书

技术领域

本发明涉及汽车轮毂轴承技术领域，具体涉及一种轮毂轴承建模与法兰盘旋转弯曲疲劳强度校核方法

背景技术

汽车轮毂轴承作为汽车关键零部件之一，轮毂轴承的结构是否安全非常重要，一旦失效将造成非常大的损失，影响安全行驶及汽车稳定性。随着技术的发展，轮毂轴承主要零部件结构有钢球、小内圈、内法兰、外法兰、保持架、密封圈等，内法兰通过螺栓与制动盘连接、外法兰通过螺栓与转向节连接。引起轮毂轴承的失效的原因有很多，有安装不当产生的失效、也有使用环境原因产生的失效，也有结构等内在原因而产生的失效。比较典型的失效形式有滚道疲劳剥落、密封失效、法兰盘弯曲疲劳失效等。

整车在复杂路况行驶过程中会形成交变载荷，这样对于轮毂轴承的强度要求越来越严苛，尤其是法兰盘的强度，很容易出现疲劳断裂。目前，各大厂商在轮毂轴承设计前期主要是通过计算轮毂轴承的静强度或通过试验的方法来校核轮轴承是否满足性能要求，显然，静强度不能完全覆盖轮毂轴承校核所需的各项性能，而试验是基于轴承旋转情况下，滚道很容易提前出现疲劳失效，且试验验证的周期和成本也非常高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种轮毂轴承建模与法兰盘弯曲疲劳强度校核方法，能够对轮毂轴承法兰盘弯曲疲劳强度进行评估。

为实现上述目的，本发明提供了一种轮毂轴承建模与法兰盘弯曲疲劳强度校核方法，包括以下步骤：

(1)利用三维绘图软件构建轮毂轴承及其载荷传递路径的三维模型并形成装配体，与所述载荷传递路径相关的关联部件包括外法兰、内法兰、小内圈、钢球，外法兰和内法兰均包括有法兰盘；

(2)利用有限元前处理软件对构建的三维数模进行网格划分，得到网格模型，并定义所述关联部件的材料属性；

(3)将所述网格模型导入到有限元分析软件中，并按照关联部件之间的实际接触关系定义接触副，建立有限元模型；

(4)对所述钢球采用非线性弹簧建模，在内法兰滚道、外法兰左侧滚道、外法兰右侧滚道、小内圈的滚道中心分别建立参考点，并将其耦合到滚道表面，然后采用非线性弹簧分别将内法兰滚道和外法兰左侧滚道的滚道中心的参考点进行连接、将外法兰右侧滚道和小内圈的滚道中心的参考点进行连接；

(5)对所述内法兰与小内圈采用摩擦副进行设置，并设置摩擦系数，对内法兰的螺栓孔进行全约束，在距轮胎中心Rs位置处建立参考点，将距轮胎中心Rs位置处的参考点耦合到外法兰端面，并在距轮胎中心Rs位置处的参考点施加径向的载荷F，该载荷F是恒定力，但绕着轴承旋转，在法兰盘的薄弱位置上标记多个关键点；

(6)利用有限元分析软件对所述有限元模型进行求解，在载荷旋转一个循环后，得到多个所述关键点的应力随时间变化历程，确定各关键点的平均应力，确定各关键点的应力幅；

(7)在轮毂轴承材料S-N曲线基础上，基于目标寿命，生成等寿命曲线；

(8)分别以所述关键点的平均应力作为横坐标，应力幅作为纵坐标，根据关键点的坐标是否落在等寿命曲线、横坐标轴和纵坐标轴之间形成的闭环曲线的内部以判断轮毂轴承的法兰盘的疲劳寿命是否满足目标寿命要求。

进一步地，所述步骤(6)中的“确定各关键点的平均应力，确定各关键点的应力幅”具体包括：提取各关键点的最大主应力δ

按照以下公式计算各关键点的应力幅：

进一步地，所述内法兰与小内圈的摩擦系数设置为0.2。

进一步地，所述步骤(5)中的“该参考点施加载荷F，该载荷F是恒定力，但绕着轴承旋转”具体包括：在有限元分析软件中采用静力学分析模块进行模拟，将载荷F分解为分力Fx和Fy，其中Fx＝Fcosθ，Fy＝Fsinθ，采用周期循环幅值曲线定义角度变化，分别定义两个周期循环幅值曲线，一个用于代表正弦函数sinθ，另一个用于代表余弦函数cosθ。

本发明的有益效果是：本发明能够在设计初期通过软件程序模拟的方式实现对轮毂轴承法兰盘弯曲疲劳强度的测试，较现有测试方式而言，成本较低，测试效率更高，并且不受轮毂轴承滚道疲劳失效的影响，测试结果更加的准确。

附图说明

图1为本发明实施例的轮毂轴承的结构图；

图2为本发明实施例的轮毂轴承的剖视图；

图3为本发明实施例的载荷F的示意图。

具体实施方式

本发明一种轮毂轴承建模与法兰盘弯曲疲劳强度校核方法的实施例如图1-3所示：

包括以下步骤：

(1)利用三维绘图软件(例如ABAQUS)构建轮毂轴承及其载荷传递路径的三维模型并形成装配体，与所述载荷传递路径相关的关联部件包括外法兰1、内法兰2、小内圈3、钢球4，外法兰1和内法兰2均包括有法兰盘(11和21)；

(2)利用有限元前处理软件(例如hypermesh)对构建的三维数模进行网格划分，得到网格模型，并定义所述关联部件的材料属性；

(3)将所述网格模型导入到有限元分析软件(例如abaqus)中，并按照关联部件之间的实际接触关系定义接触副，建立有限元模型；

(4)对所述钢球采用非线性弹簧建模，在内法兰滚道、外法兰左侧滚道、外法兰右侧滚道、小内圈的滚道中心分别建立参考点，并将其耦合到滚道表面，然后采用非线性弹簧分别将内法兰滚道和外法兰左侧滚道的滚道中心的参考点进行连接、将外法兰右侧滚道和小内圈的滚道中心的参考点进行连接；

(5)对所述内法兰与小内圈采用摩擦副进行设置，内法兰与小内圈的摩擦系数设置为0.2，对内法兰的螺栓孔进行全约束，在距轮胎中心Rs位置处建立参考点，将距轮胎中心Rs位置处的参考点耦合到外法兰端面，并在距轮胎中心Rs位置处的参考点施加径向的载荷F，该载荷F是恒定力，但绕着轴承旋转，为简化分析，可在有限元分析软件中采用静力学分析模块进行模拟，将载荷F分解为分力Fx和Fy，其中Fx＝Fcosθ，Fy＝Fsinθ，采用周期循环幅值曲线定义角度变化，分别定义两个周期循环幅值曲线，一个用于代表正弦函数sinθ，另一个用于代表余弦函数cosθ，能够降低对计算机资源的占用，提高运行效率；在法兰盘的薄弱位置上标记多个关键点，例如附图2所标注的A、B、C、D四个位置，是法兰盘在轮毂轴承实际运行时容易失效的部位；

(6)利用有限元分析软件对所述有限元模型进行求解，在载荷旋转一个循环后，得到多个所述关键点的应力随时间变化历程，确定各关键点的平均应力，确定各关键点的应力幅，具体方法见下；

提取各关键点的最大主应力δ

按照以下公式计算各关键点的应力幅：

(7)在轮毂轴承材料S-N曲线基础上，基于目标寿命，生成等寿命曲线；

(8)分别以所述关键点的平均应力作为横坐标，应力幅作为纵坐标，根据关键点的坐标是否落在等寿命曲线、横坐标轴和纵坐标轴之间形成的闭环曲线的内部以判断轮毂轴承的法兰盘的疲劳寿命是否满足目标寿命要求，从而能够快速评估轮毂轴承法兰盘的弯曲疲劳强度。

以上实施例，只是本发明优选地具体实施例的一种，本领域技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都包含在本发明的保护范围内。