CN107035769A - 一种非接触式轮毂轴承单元及其磁力控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式轮毂轴承单元，包括内圈、外圈及磁力控制模块，所述内圈包括内圈端部、内圈根部及位于内圈端部和内圈根部之间的内圈轴颈，内圈端部处设置有卷边，卷边内侧及内圈根部内侧分别设置有一个台阶，两个台阶处分别装配有一列永磁体，内圈轴颈开设有凹槽，凹槽内装配有两列永磁体；所述外圈包括外圈轴颈，以及位于外圈轴颈两侧的外圈端部，外圈端部外侧分别设置有一个台阶，两个台阶处分别装配有一个混合磁性环，外圈轴颈开设有凹槽，凹槽内装配有两列混合磁性环。本发明将传统的轮毂轴承单元改为非接触式的轮毂轴承单元，取消了内外圈之间的接触，从而使得轮毂轴承单元不易发生常见的磨损疲劳失效。

Description

一种非接触式轮毂轴承单元及其磁力控制方法

技术领域

本发明涉及一种轮毂轴承单元，具体是一种非接触式轮毂轴承单元及其磁力控制方法，属于汽车配件领域。

背景技术

轮毂轴承单元作为汽车重要的零部件，主要作用是承重和为轮毂的转动提供精确引导，既承受轴向载荷又承受径向载荷，是汽车承重和导向的重要部件。具有组装性能好、可省略游隙调整、重量轻、结构紧凑、载荷容量大及免于维修等优点，但要求滚子与滚道紧密贴合，有接触就有摩擦，有磨擦就有磨损。

通过对汽车轮毂轴承失效模式的统计和分析发现，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。

中国发明专利申请CN102141080 A公开了一种复合型汽车轮毂轴承，包括凸缘大内圈、小内圈外圈，凸缘大内圈端部设有卷边，凸缘大内圈颈部设有台阶，卷边将小内圈固定于卷边与台阶之间的轴颈上，凸缘大内圈颈部台阶上设有一列圆锥面外滚道，小内圈上设有—列球面外沟道，外圈内侧设有一列圆锥面内滚道和—列球面内沟道，圆锥面外滚道与圆锥面内滚道之间设有圆锥滚子，球面外沟道与球面内沟道之间设有球滚子，次发明采用了将受力较大的内侧列轴承设计为圆锥滚子型，受力较小的外侧列设计为角接触球轴承结构的方案，使得轮毂轴承单元不易发生早期失效，该专利只是改善了轮毂轴承的常见失效，但并没从根本上解决问题。中国发明专利申请CN104295604A公开了一种混合偏置型径向磁悬浮轴承，属混合型磁悬浮轴承，利用轴向充磁的环形永久磁铁、电磁偏置线圈在定子磁极叠片与对应的转子环形导磁叠片之间的径向间隙处建立偏置磁场；利用绕在定子磁极叠片的磁极上的控制线圈产生控制磁场；可调的偏置磁场和控制磁场对转子产生磁力，实现对转子径向位移的控制等，但并未控制磁悬浮轴承的轴向位移。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术缺陷，提供一种非接触式轮毂轴承单元及其磁力控制方法，以实现利用磁力控制轴、径向间隙保持在安全工作间隙。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种非接触式轮毂轴承单元，包括内圈、外圈及磁力控制模块，所述内圈包括内圈端部、内圈根部及位于内圈端部和内圈根部之间的内圈轴颈，内圈端部处设置有卷边，卷边内侧及内圈根部内侧分别设置有一个台阶，两个台阶处分别装配有一列永磁体，内圈轴颈开设有凹槽，凹槽内装配有两列永磁体；

所述外圈包括外圈轴颈，以及位于外圈轴颈两侧的外圈端部，外圈端部外侧分别设置有一个台阶，两个台阶处分别装配有一个混合磁性环，外圈轴颈开设有凹槽，凹槽内装配有两列混合磁性环；

外圈端部的两列混合磁性环分别与内圈的卷边内侧及内圈根部内侧的两列永磁体轴向正对，外圈轴颈处的两列混合磁性环分别与内圈轴颈处的两列永磁体径向正对；外圈端部的两列混合磁性环与内圈的卷边内侧及内圈根部内侧的两列永磁体轴采用同级磁性，由于同级互斥作用，外圈两端与内圈的卷边内侧及内圈根部内侧保持有轴向间隙；外圈轴颈处的两列混合磁性环与内圈轴颈处的两列永磁体采用同级磁性，由于同级互斥作用，外圈悬浮于内圈之上并保持有径向间隙；

所述磁力控制模块包括两个加速度传感器、一个控制器，一个执行器，其中，两个加速度传感器分别为第一加速度传感器和第二加速度传感器，第一加速度传感器安装在轮毂中心，用于检测车轮垂向加速度a_z，第二加速度传感器安装在汽车质心位置，用于检测汽车的侧向加速度a_y；控制器与两个加速度传感器连接，用于确定径向电磁力F_ez和轴向电磁力F_ey的大小；执行器与控制器连接，用于改变上述混合磁性环的磁力大小，从而保证内外圈之间始终处于安全的工作间隙。

进一步的，外圈端部的两列混合磁性环是由弧条状轴向充磁的永磁体和轴向控制绕组组成的阵列，周向上相邻永磁体之间角度为32度，相邻控制绕组间角度为90度，相邻永磁体与控制绕组之间的空隙为2度，外圈端部的两列混合磁性环的相位相同。

进一步的，外圈轴颈处的两列混合磁性环是由弧条状径向充磁的永磁体和径向控制绕组组成的阵列，周向上等分为8份，永磁体和控制绕组间隔分布，相邻永磁体与控制绕组之间的角度为2度，外圈轴颈处的两列混合磁性环的相位互补。

进一步的，内圈的卷边内侧及内圈根部内侧的两列永磁体、内圈轴颈处的两列永磁体均采用过盈配合的方式装配在内圈上，内圈轴颈处的两列永磁体的外缘端与内圈轴颈外表面平齐，内圈轴颈处的两列永磁体之间的距离为1-2mm。

进一步的，外圈端部的两列混合磁性环、外圈轴颈处的两列混合磁性环均采用过盈配合的方式装配在外圈上，外圈轴颈处的两列混合磁性环的外缘端与外圈轴颈内表面平齐，外圈轴颈处的两列混合磁性环之间的距离为1-2mm。

进一步的，所述径向间隙为2-3mm。

进一步的，所述轴向间隙为1.5-2.5mm。

一种基于上述的非接触式轮毂轴承单元的磁力控制方法，磁力控制模块中的第一加速度传感器和第二加速度传感器将检测到的加速度信号传递给控制器，控制器通过执行器来改变混合磁性环中控制绕组电流大小，保持内外圈之间正常的工作间隙，具体步骤为：

第一加速度传感器安装在轮毂中心，检测车轮受到垂向加速度a_z，根据试验数据得到垂向加速度a_z与车轮动载荷的传递系数G(s)，路面对车轮的动载荷为：

F_d＝G(s)·a_z (1)

其中，F_d为路面对轮胎的动载荷；G(s)为传递函数,s为与输出量与输入量相关的复参数；a_z为垂向加速度；

第二加速度传感器安装在汽车质心位置处，检测汽车的侧向加速度a_y；根据汽车刚性转弯模型得到轴承的左/右轮的径向载荷F_zl/zr和左/右轮的轴向载荷F_yl/yr：

轮毂轴承承受的径向载荷增量ΔF_Z和轴向载荷增量ΔF_Y：

其中，a_y为侧向加速度；为侧向加速度为0时对应的径、轴向载荷；W为前/后轴质量；H为汽车质心高度；T为轮距；g为重力加速度；

控制器根据第一加速度传感器检测到的垂向加速度a_z并结合公式(1)确定车轮动载荷F_d；控制器根据第二加速度传感器检测到的a_y并结合公式(2)和(3)来确定轮毂轴承承受的径向载荷增量ΔF_Z和轴向载荷增量ΔF_Y；第一加速度传感器和第二加速度传感器将检测到的加速度信号传递给控制器后，控制器根据公式(1)、(2)和(3)计算出径向、轴向电磁力F_ez和F_ey的大小：

最后，根据公式(4)中电磁力的大小，控制器通过执行器来改变混合磁性环中控制绕组电流大小，保持正常的工作间隙。

有益效果：本发明由于采用了上述技术方案，将传统的轮毂轴承单元改为非接触式的轮毂轴承单元，取消了内外圈之间的接触，从而使得轮毂轴承单元不易发生常见的磨损疲劳失效。此外，根据控制方法结合汽车轮毂轴承的特点，通过汽车车轮的动载荷大小，改变混合磁性环中控制绕组线圈电流的大小，不仅视为创新，也充分利用了汽车轮毂轴承的特点。

附图说明

图1为本发明的剖面视图；

图2为图1中A-A截面的永磁体和电磁绕组位置示意图；

图3为图1中B-B截面的永磁体和电磁绕组位置示意图；

图4为本发明的控制模块工作示意图；

图中，1—内圈、2—外圈、3—第一永磁体、4—第二的永磁体、5—第三永磁体、6—第四永磁体、7—第一混合磁性环、8—第二混合磁性环、9—第三混合磁性环、10—第四混合磁性环、11—第一加速度传感器、12—第二加速度传感器、13—控制器、14—执行器、15—轴向间隙、16—径向间隙。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

本发明取消了传统轮毂轴承单元的内、外圈的接触，改为内、外圈之间利用磁力互斥保持非接触状态，大大提高轮毂轴承的寿命。此外，根据控制方法结合汽车轮毂轴承的特点，通过汽车车轮的动载荷大小，改变混合磁性环中控制绕组线圈电流的大小，不仅视为创新，也充分利用了汽车轮毂轴承的特点。

如图1-4所示，本发明非接触式轮毂轴承单元包括内圈1、外圈2，及磁力控制模块；

内圈1包括内圈端部101、内圈根部102及位于内圈端部101和内圈根部102之间的内圈轴颈103，内圈端部101处设置有卷边104，卷边104内侧及内圈根部102内侧分别设置有一个台阶，两个台阶处分别装配有第一永磁体3和第二永磁体3，内圈轴颈开设有凹槽，凹槽内装配有第三永磁体5和第四永磁体6；第一永磁体3和第二永磁体4结构一样，每列是由两块半圆环状的永磁体组合在一起呈圆环状，并通过过盈配合的方式装配于台阶处，卷边104和台阶限制了第一永磁体3的左右窜动，使轮毂轴承单元更加稳定可靠；内圈轴颈103上的凹槽内装配第三永磁体5和第四永磁体6，第三永磁体5和第四永磁体6也是由半圆环状的永磁体组合而成，每列为两块半圆环状永磁体，组合呈圆环状，并通过过盈配合的方式装配于凹槽内；第三永磁体5和第四永磁体6的外缘端与内圈轴颈103外表面平齐，第三永磁体5和第四永磁体6之间的距离为1-2mm，这样形成了两列永磁体结构，提高磁力控制模块的工作效率。

外圈2包括外圈轴颈201，以及位于外圈轴颈两侧的外圈端部202，两侧的外圈端部202外侧分别设有一个台阶，两个台阶处装配第一混合磁性环7和第二混合磁性环8，如图2，第一混合磁性环7和第二混合磁性环8是由弧条状轴向充磁的永磁体8-1和轴向控制绕组8-2组成的阵列，周向上相邻永磁体之间角度为32度，该角度是相邻永磁体的相近的端部，所形成的圆心角的角度，下文中所提到的角度的定义与此处相似；相邻控制绕组间角度为90度，相邻永磁体与控制绕组之间的空隙的角度为2度，且第一混合磁性环7和第二混合磁性环8相位相同，有利于左右两个轴向间隙15的控制。外圈轴颈201上的凹槽内装配第三混合磁性环9和第四混合磁性环10，第三混合磁性环9和第四混合磁性环10是由弧条状径向充磁的永磁体10-1和径向控制10-2绕组组成的阵列，周向上等分为8份，永磁体和控制绕组交叉分布，相邻永磁体与控制绕组之间有间隙，其角度为2度，但第三混合磁性环9和第四混合磁性环10的相位互补，使得永磁体的磁力周向上均匀分布，轮毂轴承单元更加稳定可靠。外圈上第一混合磁性环7和第二混合磁性环8分别与内圈上第一永磁体3和第二永磁体4轴向正对且采用同级磁性，由于同级互斥作用，外圈2两端与内圈轴颈两端保持一定的轴向间隙15，为1.5-2.5mm。外圈上第三混合磁性环9和第四混合磁性环10分别与内圈的第三永磁体5和第四永磁体6径向正对，同样采用同级磁性，外圈2悬浮于内圈1之上并保持一定的径向间隙16，为2-3mm。第一混合磁性环7和第二混合磁性环8、第三混合磁性环9和第四混合磁性环10均采用过盈配合的方式装配在外圈上，第三混合磁性环9和第四混合磁性环10的外缘端与外圈轴颈内表面平齐，第三混合磁性环9和第四混合磁性环10之间的距离为1-2mm，这样形成了两列混合磁性环结构，进一步提高磁力控制模块的工作效率。

磁力控制模块包括两个加速度传感器、一个控制器13，一个执行器14，其中，两个加速度传感器分别为第一加速度传感器11和第二加速度传感器12，第一加速度传感器11安装在轮毂中心，用于检测车轮垂向加速度a_z，第二加速度传感器12安装在汽车质心位置，用于检测汽车的侧向加速度a_y；控制器13与两个加速度传感器连接，用于确定径向电磁力F_ez和轴向电磁力F_ey的大小；执行器14与控制器13连接，用于改变上述多个混合磁性环的磁力大小，从而保证内外圈之间始终处于安全的工作间隙。

控制方法结合汽车轮毂轴承的特点，在汽车理想工况(良好路面和直线行驶)工况下，径、轴向永磁体的磁力可保持正常的径向、轴向工作间隙，控制线圈电流为0；汽车在路面状况差或转弯等工况下，安装在轮毂中心的第一加速度传感器11检测车轮垂向加速度a_z，安装在汽车质心位置的第二加速度传感器12检测到汽车的侧向加速度a_y，磁力控制模块中控制器13则根据第一加速度传感器11和第二加速度传感器12检测到的加速度信号，得到与垂向加速度有关的路面对车轮的垂向动载荷F_d，与侧向加速度有关的轮毂轴承承受的径向载荷变量ΔF_Z和轴向载荷变量ΔF_Y，来确定径向电磁力F_ez和轴向电磁力F_ey的大小，控制器13通过执行器14来改变混合磁性环中控制绕组线圈电流的大小，从而保证内外圈之间始终处于安全的工作间隙。

与垂向加速度a_z有关的路面对车轮的垂向动载荷F_d，由第一加速度传感器11检测到的垂向加速度a_z和根据试验数据得到垂向加速度a_z与车轮动载荷的传递系数G(s)得到，路面对车轮的动载荷为：

F_d＝G(s)·a_z (1)

F_d为路面对轮胎的动载荷；G(s)为传递函数,s为与输出量与输入量相关的复参数；a_z为垂向加速度。

与侧向加速度a_y有关的轮毂轴承承受的径向载荷变量ΔF_Z和轴向载荷变量ΔF_Y为存在侧向加速度a_y下径、轴向载荷与侧向加速度a_y为0时的差值，根据第二加速度传感器12检测到的侧向加速度a_y和基于汽车刚性转弯模型，得到轴承的左、右轮的径向载荷F_zl/zr和轴向载荷F_yl/yr：

轮毂轴承承受的径向载荷变量ΔF_Z和轴向载荷变量ΔF_Y：

a_y为侧向加速度；为侧向加速度为0时对应的径、轴向载荷；W为前/后轴质量；H为汽车质心高度；T为轮距；g为重力加速度。

径向电磁力F_ez和轴向电磁力F_ey的大小，控制器13根据公式(1)、(2)和(3)计算出径向、轴向电磁力F_ez和F_ey的大小：

综上，磁力控制方法具体如下：在汽车理想工况(良好路面和直线行驶)下，径、轴向永磁体的磁力可保持正常的径向、轴向工作间隙，混合磁性环的控制线圈电流为0；汽车在路面状况差或转弯等工况下，控制器13根据第一加速度传感器11检测到的垂向加速度a_z和第二加速度传感器12检测到的侧向加速度a_y，确定径、轴向的动载荷的大小，也就是径向、轴向的电磁力F_ez和F_ey大小，然后通过执行器14分别控制径、轴向混合磁性环中线圈电流的大小。即：当汽车在状况差的路面上直线行驶(垂向加速度a_z≠0，侧向加速度为a_y＝0)时，径向电磁力F_ez相当于地面对轮胎的动载荷:F_ez＝F_d，此时，控制器13确定了径向电磁力的大小后，通过执行器14增加第三混合磁性环9和第四混合磁性环10中线圈电流，产生相应的径向电磁力F_ez平衡轮毂轴承所受的径向载荷，保证正常的工作间隙，避免内外圈接触；当汽车在良好路面转弯(垂向加速度a_z＝0，侧向加速度a_y≠0)时，径、轴向电磁力大小等于轮毂轴承的径、轴向载荷变化量：F_ez＝ΔF_Z、F_ey＝ΔF_Y，径向电磁力同上，控制器13通过执行器14增加径向第三混合磁性环9和第四混合磁性环10中线圈电流，产生相应的径向电磁力F_ez平衡轮毂轴承所受的径向载荷，轴向电磁力F_ey的大小，通过执行器14增加第一混合磁性环7或第二混合磁性环8中线圈的电流，并且，假设该轮毂轴承安装在右侧，汽车左转弯时，内侧轴向间隙有变小趋势，则增加第一混合磁性环7中线圈的电流，右转弯时则增加第二混合磁性环8中线圈的电流；当汽车在状态差的路面上转弯(垂向加速度a_z≠0，侧向加速度a_y≠0)时，径、轴向电磁力大小则由地面对车轮的垂向动载荷和轮毂轴承径、轴向载荷变量共同决定：F_ez＝F_d+ΔF_Z、F_ey＝ΔF_Y。因此，轮毂轴承单元的径、轴向工作间隙利用该径、轴向混合磁力的控制方法保持在正常的工作范围，实现轮毂轴承单元内外圈的非接触状态，大大提高了轮毂轴承的寿命。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种非接触式轮毂轴承单元，其特征在于：包括内圈、外圈及磁力控制模块，所述内圈包括内圈端部、内圈根部及位于内圈端部和内圈根部之间的内圈轴颈，内圈端部处设置有卷边，卷边内侧及内圈根部内侧分别设置有一个台阶，两个台阶处分别装配有一列永磁体，内圈轴颈开设有凹槽，凹槽内装配有两列永磁体；

所述外圈包括外圈轴颈，以及位于外圈轴颈两侧的外圈端部，外圈端部外侧分别设置有一个台阶，两个台阶处分别装配有一列混合磁性环，外圈轴颈开设有凹槽，凹槽内装配有两列混合磁性环；

外圈端部的两列混合磁性环分别与内圈的卷边内侧及内圈根部内侧的两列永磁体轴向正对，外圈轴颈处的两列混合磁性环分别与内圈轴颈处的两列永磁体径向正对；外圈端部的两列混合磁性环与内圈的卷边内侧及内圈根部内侧的两列永磁体轴采用同级磁性，由于同级互斥作用，外圈两端与内圈的卷边内侧及内圈根部内侧保持有轴向间隙；外圈轴颈处的两列混合磁性环与内圈轴颈处的两列永磁体采用同级磁性，由于同级互斥作用，外圈悬浮于内圈之上并保持有径向间隙；

所述磁力控制模块包括两个加速度传感器、一个控制器，一个执行器，其中，两个加速度传感器分别为第一加速度传感器和第二加速度传感器，第一加速度传感器安装在轮毂中心，用于检测车轮垂向加速度a_z，第二加速度传感器安装在汽车质心位置，用于检测汽车的侧向加速度a_y；控制器与两个加速度传感器连接，用于确定径向电磁力F_ez和轴向电磁力F_ey的大小；执行器与控制器连接，用于改变上述混合磁性环的磁力大小，从而保证内外圈之间始终处于安全的工作间隙。

2.根据权利要求1所述的非接触式轮毂轴承单元，其特征在于：外圈端部的两列混合磁性环是由弧条状轴向充磁的永磁体和轴向控制绕组组成的阵列，周向上相邻永磁体之间角度为32度，相邻控制绕组间角度为90度，相邻永磁体与控制绕组之间的空隙为2度，外圈端部的两列混合磁性环的相位相同。

3.根据权利要求1所述的非接触式轮毂轴承单元，其特征在于：外圈轴颈处的两列混合磁性环是由弧条状径向充磁的永磁体和径向控制绕组组成的阵列，周向上等分为8份，永磁体和控制绕组间隔分布，相邻永磁体与控制绕组之间的角度为2度，外圈轴颈处的两列混合磁性环的相位互补。

4.根据权利要求1所述的非接触式轮毂轴承单元，其特征在于：内圈的卷边内侧及内圈根部内侧的两列永磁体、内圈轴颈处的两列永磁体均采用过盈配合的方式装配在内圈上，内圈轴颈处的两列永磁体的外缘端与内圈轴颈外表面平齐，内圈轴颈处的两列永磁体之间的距离为1-2mm。

5.根据权利要求1所述的非接触式轮毂轴承单元，其特征在于：外圈端部的两列混合磁性环、外圈轴颈处的两列混合磁性环均采用过盈配合的方式装配在外圈上，外圈轴颈处的两列混合磁性环的外缘端与外圈轴颈内表面平齐，外圈轴颈处的两列混合磁性环之间的距离为1-2mm。

6.根据权利要求1所述的非接触式轮毂轴承单元，其特征在于：所述径向间隙为2-3mm。

7.根据权利要求1所述的一种非接触式轮毂轴承单元及其磁力控制方法，其特征在于：所述轴向间隙为1.5-2.5mm。

8.基于权利要求1-7任一所述的非接触式轮毂轴承单元的磁力控制方法，其特征在于：磁力控制模块中的第一加速度传感器和第二加速度传感器将检测到的加速度信号传递给控制器，控制器通过执行器来改变混合磁性环中控制绕组电流大小，保持内外圈之间正常的工作间隙，具体步骤为：

第一加速度传感器安装在轮毂中心，检测车轮受到垂向加速度a_z，根据试验数据得到垂向加速度a_z与车轮动载荷的传递系数G(s)，路面对车轮的动载荷为：

F_d＝G(s)·a_z (1)

其中，F_d为路面对轮胎的动载荷；G(s)为传递函数,s为与输出量与输入量相关的复参数；a_z为垂向加速度；

第二加速度传感器安装在汽车质心位置处，检测汽车的侧向加速度a_y；根据汽车刚性转弯模型得到轴承的左/右轮的径向载荷F_zl/zr和左/右轮的轴向载荷F_yl/yr：

轮毂轴承承受的径向载荷增量△F_Z和轴向载荷增量△F_Y：

其中，a_y为侧向加速度；为侧向加速度为0时对应的径、轴向载荷；W为前/后轴质量；H为汽车质心高度；T为轮距；g为重力加速度；

控制器根据第一加速度传感器检测到的垂向加速度a_z并结合公式(1)确定车轮动载荷F_d；控制器根据第二加速度传感器检测到的a_y并结合公式(2)和(3)来确定轮毂轴承承受的径向载荷增量△F_Z和轴向载荷增量△F_Y；第一加速度传感器和第二加速度传感器将检测到的加速度信号传递给控制器后，控制器根据公式(1)、(2)和(3)计算出径向、轴向电磁力F_ez和F_ey的大小：

最后，根据公式(4)中电磁力的大小，控制器通过执行器来改变混合磁性环中控制绕组电流大小，保持正常的工作间隙。