CN112240352A - 一种轮毂轴承的有限元分析方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轮毂轴承的有限元分析方法及其系统，包括如下步骤：步骤S1、获取轮毂轴承的材料参数值，并根据所述材料参数值构建轮毂轴承的强度有限元网格模型和刚度有限元网格模型；其中，所述强度有限元网格模型包括法兰盘、外圈、内圈和滚珠，所述刚度有限元网格模型包括加载臂、法兰盘、外圈、内圈和滚珠，所述法兰盘与滚珠、以及内圈与滚珠的接触均采用非线性接触进行模拟；步骤S2、根据所述强度有限元网格模型和刚度有限元网格模型分别计算轮毂轴承的强度和刚度。实施本发明，能够在乘用车轮毂开发过程中，提高轴承径向、轴向刚度及强度计算的准确性和效率。

Description

一种轮毂轴承的有限元分析方法及其系统

技术领域

本发明涉及汽车零部件设计技术领域，具体涉及一种轮毂轴承的有限元分析方法及其系统。

背景技术

汽车轮毂轴承是乘用车内关键的零部件之一，它的主要作用是径向上承载汽车的重量，轴向上为轮毂的转动提供精确的引导。乘用车轮毂轴承的使用日益增长，现在主流的整车厂采用的是第三代轮毂轴承，主要零部件有内法兰、外法兰、滚珠、保持架等，内法兰与制动盘、轮辋等旋转件连接，外法兰与转向节等固定件相连。在轮毂轴承的开发过程中，该零件的强度和刚度性能是其重点关注性能之一。

目前各大整车厂在进行轮毂轴承径向、轴向刚度及强度的计算时，一般使用机械工程手册中的常用公式对该问题进行计算，同时通过与对标车结构的对比获得相对的指标进行设计。现有的技术方法仅通过公式和对标车数据的方式得到设计目标和结果，与试验存在较大的差异，并且也不利于整车厂开发过程中得到的经验的总结和积累，无法形成轮毂轴承正向开发的流程，也无法在设计初期就进行轮毂轴承径向刚度、轴向刚度、强度和耐久等性能的准确评估，增加了后期该零部件发生失效的风险概率。

发明内容

本发明的目的在于提出一种轮毂轴承的有限元分析方法及其系统，以实现在乘用车轮毂开发过程中，提高轴承径向、轴向刚度及强度计算的准确性和效率。

为达上述目的，本发明实施例提供一种轮毂轴承的有限元分析方法，包括如下步骤：

步骤S1、获取轮毂轴承的材料参数值，并根据所述材料参数值构建轮毂轴承的强度有限元网格模型和刚度有限元网格模型；其中，所述强度有限元网格模型包括法兰盘、外圈、内圈和滚珠，所述刚度有限元网格模型包括加载臂、法兰盘、外圈、内圈和滚珠，所述法兰盘与滚珠、以及内圈与滚珠的接触均采用非线性接触进行模拟；

步骤S2、根据所述强度有限元网格模型和刚度有限元网格模型分别计算轮毂轴承的强度和刚度。

优选地，所述材料参数值包括轮毂轴承的密度、泊松比、弹性模量的参数值，以及淬火区域的密度、泊松比、弹性模量、屈服极限、抗拉极限的参数值。

优选地，所述轮毂轴承的密度、泊松比、弹性模量的参数值通过截取轮毂轴承法兰盘、内圈、外圈中局部位置做成的标准试棒进行材料测试获得；所述淬火区域的密度、泊松比、弹性模量、屈服极限、抗拉极限的参数值通过截取淬火区域的标准样条进行拉伸试验测得。

优选地，所述内圈与法兰盘、以及外圈与滚珠的接触均采用绑定接触进行模拟，所述加载臂与法兰盘之间的螺栓连接采用有限元软件的刚性单元进行模拟。

优选地，所述步骤S2包括：

根据公式Fy＝0.8mg(0.8h+b)/L和Fz＝mg(0.8h+b)/L计算在车辆转弯过程中车辆质心处加速度大小为0.8g的状态下，车轮接地点所受的轴向力和径向力；其中，Fy为轴向力，Fz为径向力，m为车辆满载轴荷，g为重力加速度，h为整车满载质心高，b为整车质心与右轮轮心在整车侧向方向上的距离，L为左右轮心距离；

约束轮毂轴承的外圈与转向节连接螺栓六向自由度，在车轮接地点处施加所述轴向力和所述径向力；

利用有限元软件对所述强度有限元网格模型进行处理，读取所述强度有限元网格模型的所有网格中的最大米塞斯应力作为强度计算结果。

优选地，所述步骤S2包括：

约束外圈与转向节连接螺栓六向自由度，在加载臂外侧端面车轮半径处施加一法向力，法向力大小为7000牛；

利用有限元软件对所述刚度有限元网格模型进行处理，获取施加法向力处的位移，并将所述法向力与所述位移的比值作为刚度计算结果。

优选地，所述强度有限元网格模型和刚度有限元网格模型均采用一阶四面体单元。

优选地，所述根据所述材料参数值构建轮毂轴承的强度有限元网格模型和刚度有限元网格模型包括：

构建多个不同网格尺寸的强度有限元网格模型；

利用有限元软件对所述多个不同网格尺寸的强度有限元网格模型进行轮毂轴承强度分析，并确定最大应力所对应的网格；

对所述最大应力所对应的网格进行收敛性分析，如果所述最大应力所对应的网格的应力随着网格尺寸的变小而不再增加，则选取所述最大应力所对应的网格尺寸作为强度有限元网格模型和刚度有限元网格模型的网格尺寸。

优选地，所述方法还包括：

根据所述强度计算结果与强度阈值的比较结果确定所述强度有限元网格模型所对应的轮毂轴承结构的强度是否合格，并根据所述刚度计算结果与刚度阈值的比较结果确定所述刚度有限元网格模型所对应的轮毂轴承结构的刚度是否合格。

为达上述目的，本发明实施例提供一种轮毂轴承的有限元分析系统，其用于实现所述轮毂轴承的有限元分析方法，该系统包括：

模型构建单元，用于获取轮毂轴承的材料参数值，并根据所述材料参数值构建轮毂轴承的强度有限元网格模型和刚度有限元网格模型；其中，所述强度有限元网格模型包括法兰盘、外圈、内圈和滚珠，所述刚度有限元网格模型包括加载臂、法兰盘、外圈、内圈和滚珠，所述法兰盘与滚珠、以及内圈与滚珠的接触均采用非线性接触进行模拟；

模型分析单元，用于根据所述强度有限元网格模型和刚度有限元网格模型分别进行轮毂轴承的强度计算和刚度计算。

在本发明实施例中，根据轮毂轴承的相关材料参数值，利用有限元软件构建轮毂轴承的强度有限元网格模型和刚度有限元网格模型，并设置法兰盘与滚珠、以及内圈与滚珠的接触均采用非线性接触进行模拟，通过非线性有限元接触计算的使用，能够准确的考虑滚道和滚珠的接触刚度，从而得到轮毂轴承径向刚度、轴向刚度及强度的精确解，解决了现有计算方法的准确性和效率的缺失。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而得以体现。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例所述一种轮毂轴承的有限元分析方法流程图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施例中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的手段未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。

如图1所示，本发明一实施例提供一种轮毂轴承的有限元分析方法，包括如下步骤：

步骤S1、获取轮毂轴承的材料参数值，并根据所述材料参数值构建轮毂轴承的强度有限元网格模型和刚度有限元网格模型；其中，所述强度有限元网格模型包括法兰盘、外圈、内圈和滚珠，所述刚度有限元网格模型包括加载臂、法兰盘、外圈、内圈和滚珠，所述法兰盘与滚珠、以及内圈与滚珠的接触均采用非线性接触进行模拟；

步骤S2、根据所述强度有限元网格模型和刚度有限元网格模型分别计算轮毂轴承的强度和刚度。

具体而言，本实施例步骤中通过非线性有限元接触计算的使用，能够准确的考虑滚道和滚珠的接触刚度，从而得到轮毂轴承径向刚度、轴向刚度及强度的精确解，有效地提高了轮毂轴承计算结果的准确性，实现在设计初期就进行轮毂轴承径向刚度、轴向刚度、强度和耐久等性能的准确评估，降低了后期该零部件发生失效的风险概率。

在一些实施例中，所述材料参数值包括轮毂轴承的密度、泊松比、弹性模量的参数值，以及淬火区域的密度、泊松比、弹性模量、屈服极限、抗拉极限的参数值。

在一些实施例中，所述轮毂轴承的密度、泊松比、弹性模量的参数值通过截取轮毂轴承法兰盘、内圈、外圈中局部位置做成的标准试棒进行材料测试获得；所述淬火区域的密度、泊松比、弹性模量、屈服极限、抗拉极限的参数值通过截取淬火区域的标准样条进行拉伸试验测得。

具体而言，弹性模量和泊松比参数值具体的获得方法按照国标GB-T 22315-2008金属材料弹性模量和泊松比试验方法进行试验获取，密度参数值则由密度天平直接读数得到。

在一些实施例中，所述内圈与法兰盘、以及外圈与滚珠的接触均采用绑定接触进行模拟，其中，所述内圈与法兰盘、以及外圈与滚珠之间的摩擦系数为试验实测值；

进一步地，所述加载臂与法兰盘之间的螺栓连接采用有限元软件的刚性单元(RBE2)进行模拟。

具体而言，以上接触关系的建立考虑了模型的收敛性，能够避免旋转方向的自由缺失导致的收敛性报错问题。

在一些实施例中，所述步骤S2包括：

根据公式Fy＝0.8mg(0.8h+b)/L和Fz＝mg(0.8h+b)/L计算0.8g转向工况下，车轮接地点所受的轴向力和径向力；其中，Fy为轴向力，Fz为径向力，m为车辆满载轴荷，g为重力加速度，h为整车满载质心高，b为整车质心与右轮轮心在整车侧向方向上的距离，L为左右轮心距离；

约束轮毂轴承的外圈与转向节连接螺栓六向自由度，在车轮接地点处施加所述轴向力和所述径向力；

利用有限元软件对所述强度有限元网格模型进行处理，读取所述强度有限元网格模型的所有网格中的最大米塞斯应力作为强度计算结果。

具体而言，所述0.8g转向工况为在车辆转弯过程中车辆质心处加速度大小为0.8g的状态。

在一些实施例中，所述步骤S2包括：

约束外圈与转向节连接螺栓六向自由度，在加载臂外侧端面车轮半径处施加一法向力，法向力大小为7000牛；

利用有限元软件对所述刚度有限元网格模型进行处理，获取施加法向力处的位移，并将所述法向力与所述位移的比值作为刚度计算结果。

在一些实施例中，所述强度有限元网格模型和刚度有限元网格模型均采用一阶四面体单元。

在一些实施例中，所述根据所述材料参数值构建轮毂轴承的强度有限元网格模型和刚度有限元网格模型包括：

构建多个不同网格尺寸的强度有限元网格模型；例如为10mm、5mm、3mm、1.5mm、1mm、0.5mm等尺寸值；

利用有限元软件对所述多个不同网格尺寸的强度有限元网格模型进行轮毂轴承强度分析，可以得到不同尺寸网格所对应的应力，通过对比不同尺寸网格的应力确定最大应力所对应的网格；

对所述最大应力所对应的网格进行收敛性分析，所述收敛性分析具体为：调整最大应力所对应的网格的尺寸并观察其应力表现，如果所述最大应力所对应的网格的应力随着网格尺寸的变小而不再增加，则选取所述最大应力所对应的网格尺寸作为强度有限元网格模型和刚度有限元网格模型的网格尺寸。

在一些实施例中，所述方法还包括：

根据所述强度计算结果与强度阈值的比较结果确定所述强度有限元网格模型所对应的轮毂轴承结构的强度是否合格，并根据所述刚度计算结果与刚度阈值的比较结果确定所述刚度有限元网格模型所对应的轮毂轴承结构的刚度是否合格。

具体而言，所述强度阈值为根据所述材料参数值确定，对于合格的轮毂轴承结构而言，其强度计算结果需要小于材料的屈服强度，其刚度须满足该平台车型企业内部通过过往车型计算结果以及同级别对标车计算结果综合评估得到的刚度标准，依据上述内容，可以预先设定强度阈值和刚度阈值。通过进行计算结果的分析，能够在试验前没有实际样件的情况下就能对其强度和刚度性能进行评估和优化，极大的提升了开发效率。

本发明另一实施例还提供一种轮毂轴承的有限元分析系统，其用于实现上文中实施例所述轮毂轴承的有限元分析方法，该系统包括：

模型构建单元，用于获取轮毂轴承的材料参数值，并根据所述材料参数值构建轮毂轴承的强度有限元网格模型和刚度有限元网格模型；其中，所述强度有限元网格模型包括法兰盘、外圈、内圈和滚珠，所述刚度有限元网格模型包括加载臂、法兰盘、外圈、内圈和滚珠，所述法兰盘与滚珠、以及内圈与滚珠的接触均采用非线性接触进行模拟；

模型分析单元，用于根据所述强度有限元网格模型和刚度有限元网格模型分别进行轮毂轴承的强度计算和刚度计算、根据所述强度计算结果与强度阈值的比较结果确定所述强度有限元网格模型所对应的轮毂轴承结构的强度是否合格、以及根据所述刚度计算结果与刚度阈值的比较结果确定所述刚度有限元网格模型所对应的轮毂轴承结构的刚度是否合格。

其中，所述材料参数值包括轮毂轴承的密度、泊松比、弹性模量的参数值，以及淬火区域的密度、泊松比、弹性模量、屈服极限、抗拉极限的参数值。

所述轮毂轴承的密度、泊松比、弹性模量的参数值通过截取轮毂轴承法兰盘、内圈、外圈中局部位置做成的标准试棒进行材料测试获得；所述淬火区域的密度、泊松比、弹性模量、屈服极限、抗拉极限的参数值通过截取淬火区域的标准样条进行拉伸试验测得。

其中，所述内圈与法兰盘、以及外圈与滚珠的接触均采用绑定接触进行模拟，所述加载臂与法兰盘之间的螺栓连接采用有限元软件的刚性单元进行模拟。

其中，轮毂轴承的强度计算包括：

根据公式Fy＝0.8mg(0.8h+b)/L和Fz＝mg(0.8h+b)/L计算在车辆转弯过程中车辆质心处加速度大小为0.8g的状态下，车轮接地点所受的轴向力和径向力；其中，Fy为轴向力，Fz为径向力，m为车辆满载轴荷，g为重力加速度，h为整车满载质心高，b为整车质心与右轮轮心在整车侧向方向上的距离，L为左右轮心距离；

约束轮毂轴承的外圈与转向节连接螺栓六向自由度，在车轮接地点处施加所述轴向力和所述径向力；

利用有限元软件对所述强度有限元网格模型进行处理，读取所述强度有限元网格模型的所有网格中的最大米塞斯应力作为强度计算结果。

其中，轮毂轴承的刚度计算包括：

约束外圈与转向节连接螺栓六向自由度，在加载臂外侧端面车轮半径处施加一法向力，法向力大小为7000牛；

利用有限元软件对所述刚度有限元网格模型进行处理，获取施加法向力处的位移，并将所述法向力与所述位移的比值作为刚度计算结果。

其中，所述强度有限元网格模型和刚度有限元网格模型均采用一阶四面体单元。

通过以上实施例的描述可知，本发明实施例根据轮毂轴承的相关材料参数值，利用有限元软件构建轮毂轴承的强度有限元网格模型和刚度有限元网格模型，并设置法兰盘与滚珠、以及内圈与滚珠的接触均采用非线性接触进行模拟，通过非线性有限元接触计算的使用，能够准确的考虑滚道和滚珠的接触刚度，从而得到轮毂轴承径向刚度、轴向刚度及强度的精确解，解决了现有计算方法的准确性和效率的缺失。

需说明的是，本文中实施例所述系统为与实施例所述方法对应，实施例所述系统用于实施实施例所述方法所述的流程步骤，因此，有关实施例所述系统的其他未描述的内容，可以参阅实施例所述方法内容得到，此处不再赘述。

还应该理解，可以以很多方式实施以上实施例所述方法和实施例所述系统，包括作为过程、装置或系统。本文中所述的方法可以部分地由用于指示处理器执行这种方法的程序指令、以及记录在非暂态计算机可读存储介质上的该指令而实施，非暂态计算机可读存储介质诸如硬盘驱动、软盘、光碟(诸如小型碟(CD)或数字通用碟(DVD))、闪速存储器等。在一些实施例中，程序指令可以被远程存储并且经由光学或电子通信链路而在网络上被发送。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种轮毂轴承的有限元分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1、获取轮毂轴承的材料参数值，并根据所述材料参数值构建轮毂轴承的强度有限元网格模型和刚度有限元网格模型；其中，所述强度有限元网格模型包括法兰盘、外圈、内圈和滚珠，所述刚度有限元网格模型包括加载臂、法兰盘、外圈、内圈和滚珠，所述法兰盘与滚珠、以及内圈与滚珠的接触均采用非线性接触进行模拟；

步骤S2、根据所述强度有限元网格模型和刚度有限元网格模型分别计算轮毂轴承的强度和刚度。

2.如权利要求1所述的轮毂轴承的有限元分析方法，其特征在于，所述材料参数值包括轮毂轴承的密度、泊松比、弹性模量的参数值，以及淬火区域的密度、泊松比、弹性模量、屈服极限、抗拉极限的参数值。

3.如权利要求2所述的轮毂轴承的有限元分析方法，其特征在于，所述轮毂轴承的密度、泊松比、弹性模量的参数值通过截取轮毂轴承法兰盘、内圈、外圈中局部位置做成的标准试棒进行材料测试获得；所述淬火区域的密度、泊松比、弹性模量、屈服极限、抗拉极限的参数值通过截取淬火区域的标准样条进行拉伸试验测得。

4.如权利要求1所述的轮毂轴承的有限元分析方法，其特征在于，所述内圈与法兰盘、以及外圈与滚珠的接触均采用绑定接触进行模拟，所述加载臂与法兰盘之间的螺栓连接采用有限元软件的刚性单元进行模拟。

5.如权利要求1所述的轮毂轴承的有限元分析方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

根据公式Fy＝0.8mg(0.8h+b)/L和Fz＝mg(0.8h+b)/L计算在车辆转弯过程中车辆质心处加速度大小为0.8g的状态下，车轮接地点所受的轴向力和径向力；其中，Fy为轴向力，Fz为径向力，m为车辆满载轴荷，g为重力加速度，h为整车满载质心高，b为整车质心与右轮轮心在整车侧向方向上的距离，L为左右轮心距离；

约束轮毂轴承的外圈与转向节连接螺栓六向自由度，在车轮接地点处施加所述轴向力和所述径向力；

利用有限元软件对所述强度有限元网格模型进行处理，读取所述强度有限元网格模型的所有网格中的最大米塞斯应力作为强度计算结果。

6.如权利要求1所述的轮毂轴承的有限元分析方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

约束外圈与转向节连接螺栓六向自由度，在加载臂外侧端面车轮半径处施加一法向力，法向力大小为7000牛；

利用有限元软件对所述刚度有限元网格模型进行处理，获取施加法向力处的位移，并将所述法向力与所述位移的比值作为刚度计算结果。

7.如权利要求1所述的轮毂轴承的有限元分析方法，其特征在于，所述强度有限元网格模型和刚度有限元网格模型均采用一阶四面体单元。

8.如权利要求7所述的轮毂轴承的有限元分析方法，其特征在于，所述根据所述材料参数值构建轮毂轴承的强度有限元网格模型和刚度有限元网格模型包括：

构建多个不同网格尺寸的强度有限元网格模型；

利用有限元软件对所述多个不同网格尺寸的强度有限元网格模型进行轮毂轴承强度分析，并确定最大应力所对应的网格；

对所述最大应力所对应的网格进行收敛性分析，如果所述最大应力所对应的网格的应力随着网格尺寸的变小而不再增加，则选取所述最大应力所对应的网格尺寸作为强度有限元网格模型和刚度有限元网格模型的网格尺寸。

9.如权利要求1至8任一项所述的轮毂轴承的有限元分析方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据所述强度计算结果与强度阈值的比较结果确定所述强度有限元网格模型所对应的轮毂轴承结构的强度是否合格，并根据所述刚度计算结果与刚度阈值的比较结果确定所述刚度有限元网格模型所对应的轮毂轴承结构的刚度是否合格。

10.一种轮毂轴承的有限元分析系统，其用于实现权利要求1-9任一项所述轮毂轴承的有限元分析方法，其特征在于，该系统包括：

模型构建单元，用于获取轮毂轴承的材料参数值，并根据所述材料参数值构建轮毂轴承的强度有限元网格模型和刚度有限元网格模型；其中，所述强度有限元网格模型包括法兰盘、外圈、内圈和滚珠，所述刚度有限元网格模型包括加载臂、法兰盘、外圈、内圈和滚珠，所述法兰盘与滚珠、以及内圈与滚珠的接触均采用非线性接触进行模拟；

模型分析单元，用于根据所述强度有限元网格模型和刚度有限元网格模型分别进行轮毂轴承的强度计算和刚度计算。

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