（机械设计及理论专业论文）汽车abs轮毂轴承的设计与研究.pdf

世型l 一y l l i 1 1 l i 蝴矬 o 。_ _ _ 。_ _ _ - _ _ - _ - _ - - _ - i _ - i _ _ _ _ _ _ _ - 。- _ - - - - _ _ _ _ - _ - _ - - 。_ - 。_ _ 。- - _ - _ - - _ _ _ _ - - - - - _ - _ 。- - - - - - _ _ _ - _ _ - - _ _ - - j1 r ，7j j j i 一 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 燧日期：塑么竺!至 莎 玎 上海大学工学硕士学位论文 汽车a b s 轮毂轴承的设计与研究 姓名：刘汝卫 导师：张钢副教授 学科专业：机械设计及理论 上海大学机电工程与自动化学院 2 010 年2 月 上海大学硕十学位论文 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt os h a n g h a iu n i v e r s i t yf o rt h e d e g r e eo fm a s t e ri ne n g i n e e r i n g 一一 d e s i g na n dr e s e a r c ho f t h eh u b b e a r i n g w i t ha b si na u t o m o b i l e m d c a n d i d a t e ：l i ur u w e i s u p e r v i s o r ：z h a n gg a n g m a j o r ：m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y s c h o o lo fm e c h a n i c a l & e l e c t r o n i c e n g i n e e r i n ga n d a u t o m a t i o n ，s h a n g h a iu n i v e r s i t y f e b r u a r y , 2 0 1 0 i v 上海大学硕士学位论文 摘要 防抱死制动系统，简称a b s ( a n t i - l o c k e db r a k i n gs y s t e m ) ，是一种具有 防滑、防锁死等优点的汽车安全控制装置，在汽车紧急制动时自动调节制动力 防止车轮抱死，充分利用道路附着力，提高汽车紧急制动时的稳定性和方向可 控性，缩短制动距离。而轮毂轴承是汽车a b s 的关键零部件之一，它的主要作 用是承载重量和为轮毂的转动提供精确引导，这就要求它不仅能承受轴向载荷 还要承受径向载荷。本文旨在设计一种基于自制霍尔传感器的具有a b s 功能的 汽车轮毂轴承。 首先，论述了汽车a b s 的原理及其基本结构组成，然后介绍了汽车轮毂轴 承的结构原理等信息，并重点描述了霍尔传感器用于轮毂轴承的优势。本文设 计的具有a b s 功能的轮毂轴承是在现有轮毂轴承的基础上，结合自制霍尔传感 器而成的一种新型具有防抱死功能的轮毂轴承单元。 其次，针对这一新型轮毂轴承的设计，参考相关知识及合理的计算等，给 出了此轮毂轴承的详细结构，绘制其二维零件图及装配图，同时用三维软件建 模以便更加直观。为了便于此轮毂轴承能系列化生产，用p r o e 族表的设计方 法进行了产品系列化研究，能极大地提高设计效率，具有很强的实用价值。结 构设计完成后，通过有限元分析软件分析该结构的合理性，并对该结构进行了 寿命方面的计算，实现对结构设计的认可。而后，利用a n s y s 软件对环形磁体 的表面磁场强度进行分析，以确定环形磁体与霍尔传感器的距离，实现有效的 触发。 最后基于m a t l a b 中的s i m u l i n k 模块，分析了防抱死轮毂轴承所能实现的 防抱死功能效果，相比于没有安装a b s 的汽车，装有a b s 的汽车具有明显的制 动优势，证明了本文设计的a b s 轮毂轴承的实用性及合理性。 本文设计的基于自制霍尔传感器的具有a b s 功能的汽车轮毂轴承，结合了 霍尔传感器以及汽车第三代轮毂轴承的优点，从而具有比目前的第三代轮毂轴 承明显的优势，如更灵敏的速度检测。 关键词：a b s ( 防抱死系统) ；轮毂轴承；霍尔传感器；p r o e ；a n s y s v 上海大学硕士学位论文 a bs t r a c t a b s ( a n t i l o c k e db r a k i n gs y s t e m ) i sak i n do fv e h i c l es a f e t yd e v i c ew h i c h c a na d j u s tt h eb r a k i n gf o r c ea u t o m a t i c a l l yt op r e v e n tt h ew h e e l sf r o ml o c k i n ga n d m a k ef u l lu s eo ft h er o a da d h e s i o na n de n h a n c et h es t a b i l i t yo fv e h i c l ee m e r g e n c y b r a k i n ga n dt h ed i r e c t i o n a lc o n t r 0 1 t h eh u bb e a t i n gi sak e yp a r ti na b s i t sm a i n f u n c t i o ni st os u s t a i nt h ew e i g h to ft h ec a l a n dt oo f f e rp r e c i s i o nh o m i n gf o rh u b d r i v i n g , w h i c hr e q u i r e sh u bb e a r i n gn o to n l yc a nw i t h s t a n dt h ea x i a ll o a da l s ob e a rt h e r a d i a ll o a d i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，ah u bb e a r i n gb a s e do nh a l ls e n s o rw a sd e s i g n e d w h i c ha l m st oh a v et h ef u n c t i o no f a b s f i r s t ，w ed i s c u s s et h ep r i n c i p l eo fa n t i l o c kb r a k i n gs y s t e ma n di t sb a s i c s t r u c t u r e s ，a n di n t r o d u c et h ea u t o m o b i l eh u bb e a r i n gs t r u c t u r a lp r i n c i p l ei n f o r m a t i o n ， a n dd e s c r i b et h ea d v a n t a g eo ft h eh u b b e a r i n gw i t hh a l ls e n s o r s o nt h eb a s i so ft h e e x i s t i n gh u bb e a r i n gt h a ti su s e de x t e n s i v e l y , an e wt y p eo fa b sh u bb e a r i n gi s d e s i g n e df i n a l l y t h e n ，r e f e r e n c i n gt or e l e v a n tk n o w l e d g ea n dr a t i o n a lc a l c u l a t i o ni nr e s p o n s et o t h i sn e wt y p eo f h u bb e a t i n gd e s i g n ，t h ed e t a i l e ds t r u c t u r eo f h u b b e a r i n gi sg i v e n ，i t s t w o d i m e n s i o n a l p a r td r a w i n g s a n d a s s e m b l yd i a g r a m a red r a w na n d t h r e e - d i m e n s i o n a li no r d e rt ob em o r ei n t u i t i v e i no r d e rt ot h eh u bb e a r i n g sc a nb e p r o d u c e di ns e r i a t i o n ，r e s e a r c ho ft h ep r o d u c ts e r i a t i o nw h i c hu s et h ed e s i g nm e t h o d o ff a m i l yt a b l eo fp r o ec a ng r e a t l yi m p r o v ed e s i g ne f f i c i e n c ya n dh a v eas t r o n g p r a c t i c a lv a l u e t h es t r u c t u r ei sa n a l y z e dr e a s o n a b l yt h r o u g ht h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i ss o f t w a r ea n di sc a l c u l a t e di nl i f et oa c h i e v et h er e c o g n i t i o no fs t r u c t u r a l d e s i g n a n s y ss o f t w a r ei su s e dt oa n a l y z et h es u r f a c ef i e l dm a g n e t i cs t r e n g t ht o d e t e r m i n et h ed i s t a n c eb e t w e e nr i n gm a g n e ta n dh a l ls e n s o r , t oa c h i e v ee f f e c t i v e t r i g g e r l a s t ，w ea n a l y z et h ee f f e c t st h a ta n t i l o c k e dh u bb e a r i n g sc a na c h i e v ew i t h s i m u l i n kf u n c t i o no fm a t l a b t h ec a l i n s t a l l e da b sh a sr e m a r k a b l ya d v a n t a g e v i 上海人学硕上学位论文 c o m p a r e d t ot h ec a rw i t h o u ta b s ，t h a tp r o v et h ed e s i g ni nt h i sp a p e ri sp r a c t i c a la n d r e a s o n a b l e t h eh u bb e a r i n gw i t ht h ea b sf u n c t i o nb a s e do i lh a l ls e n s o ri nt h i s p a p e r c o m b i n e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fh a l ls e n s o ra n dc u r r e n t 廿l i r d g e n e r a t i o nw h e e lh u b b e a r i n g , t h u sh a v eo b v i o u sa d v a n t a g e st h a nt h ec u r r e n tt h i r d g e n e r a t i o nw h e e lh u b b e a r i n g ，s u c ha sm o r es e n s i t i v ed e t e c t i o no ft h es p e e d k e y w o r d s ：a b s ( a n t i l o c k e db r a k i n gs y s t e m ) ；h u bb e a r i n g ；h a l l s e n s o r ；p r o e ；a n s y s v i i 上海人学硕上学位论文 目录 摘要v a b s t 蝴v i 目录v i i i 第一章绪论1 1 1 弓i言1 1 2 研究背景及现状2 1 2 1a b s 发展历程及现状2 1 2 2 轮毂轴承发展历程及现状。4 1 2 3 轮毂轴承的技术要求及性能1 0 l - 3 课题研究的目的和意义1 l 1 4 论文的章节安排1 2 第二章a b s 及其轮速传感器的基础知识1 4 2 1 汽车a b s 的基本结构与原理1 4 2 1 。1a b s 的基本结构1 4 2 1 2a b s 的基本原理1 6 2 2a b s 中的轮速传感器及其速度检测1 8 2 2 1 轮速传感器的类型l8 2 2 2 轮速检测的实现2 2 2 3 本章小结2 3 第三章具有霍尔传感器的轮毂轴承的设计2 4 3 1 轮毂轴承的总体基本结构设计2 4 3 2 霍尔传感器单元的结构设计2 7 3 。3 环形磁体的设计2 9 3 3 1 环形磁体的材料选择及充磁方式2 9 3 3 2 环形磁体的结构设计3 l 3 3 3 磁屏蔽3 4 3 4 轮毂轴承装配总图一3 6 3 5 本章小结3 7 第四章轮毂轴承的系列化及受力分析3 8 4 1 基于p r o e 族表的轮毂轴承的系列化研究3 8 4 1 1 族表的廊用3 8 4 1 2 轮毂轴承内圈法兰族表的建立3 9 4 2 轮毂轴承整体接触的有限元分析4 2 4 2 1 轮毂轴承的受力分析研究4 2 4 2 2 轮毂轴承的接触分析实例4 4 4 3 轮毂轴承的寿命计算4 8 4 4 本章小结4 9 v l l i 上海大学硕士学位论文 第五章环形磁体的磁场分析5 0 5 。l 环形磁体的磁场分析5 0 5 1 1 环形磁环表面磁场的理论分析5 0 5 1 2 磁场的基本概念和方程5 3 5 2a n s y s 表面磁场分析过程5 7 5 2 1a n s y s 磁场分析步骤5 7 5 2 2 建立物理模型。5 9 5 2 3 划分网格及加载和求解6 l 5 。2 4 分析结果的查看6 4 5 3 本章小结。6 6 第六章基于m a t l a b 的a b s 仿真6 7 6 1 车辆动力学模型建模。6 8 6 2 车辆a b s 系统仿真7 0 6 3 本章小结7 5 第七章结论与展望7 6 7 1 结论7 6 7 2 展望7 7 参考文献7 9 作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文8 2 致谢8 3 i x 上海大学硕士学位论文 1 1引言 第一章绪论 汽车防抱死制动系统，简称a b s ( a n t i 1 0 c k e db r a k i n gs y s t e m ) 。它是一种 具有防滑、防锁死等优点的汽车安全控制系统，是现代汽车制动系统的关 键部件之一。现代汽车上大量安装防抱死制动系统，a b s 既有普通制动系 统的制动功能，又能防止车轮抱死，使汽车在制动状态下仍能转向，保证 汽车的制动方向稳定性，防止产生侧滑和跑偏，是目前汽车上最先进、制 动效果最佳的制动装置【m 】，基本结构框图如图1 1 所示。 图1 1防抱死系统的基本结构框图 虽然a b s 可以极大地提高汽车的安全性能，但并不意味着装有a b s 的汽 车就绝对的安全。尽管a b s 能使汽车在较短的距离内进行制动，但如果驾驶员 制动太晚，同样也无法避免事故的发生。但是，装有a b s 的汽车在紧急制动时 仍能保持对驾驶车辆的方向控制能力，因此，在制动过程中有可能绕过障碍物， 避免可能发生的事故。另外还要考虑的是道路表面的情况，即使装备有a b s 的 汽车在湿滑路面或有冰雪的路面上制动时，制动距离会较长，而且不能猛烈转 向，因为在较滑的路面上，可利用的附着力是很小的。随着世界汽车工业的 迅猛发展，安全性日益成为人们选购汽车的重要依据。目前广泛采用的防 抱死制动系统使人们对安全性要求得以充分的满足。 上海大学硕士学位论文 而轮毂轴承是汽车a b s 的关键零部件之一，它的主要作用是承载重量和为 轮毂的转动提供精确引导，这就要求它不仅能承受轴向载荷还要承受径向载荷。 传统的汽车车轮用轴承是由两套圆锥滚子轴承或球轴承组合而成的，轴承的安 装、涂油、密封以及游隙的调整都是在汽车生产线上完成的。这样的结构势必 会造成在汽车生产厂装配困难、成本高、可靠性差，而且汽车在维修点维护时， 还需要对轴承进行清洗、涂油和调整【3 1 。轮毂轴承单元是在标准角接触球轴承 和圆锥滚子轴承的基础上发展起来的，与传统轴承相比，把双列圆锥滚子轴承做 成整体化的单元，这样来就简化了安装结构，为了安装方便，把内圈或外圈设 计为带有凸缘的结构，可以调整轴承游隙，设定预载荷的误差小，从而有更好 的可靠性。在安装时，将耐用性强的润滑脂封入其中，从而免于维修。目前在轿 车中已得到广泛的应用，在各类载重汽车中也有逐步扩大应用的趋势。 轮毂轴承根据与汽车传动系统其它元件集成方式的不同，可以分为第一 代、第二代、第三代和第四代轮毂轴承。目前应用较为广泛的是第三代轮毂轴 承，它一般由以下三部分组成：滚子轴承单元、一个集成了内圈的轮毂轴和安 装转向节的带凸缘的外圈组成。轮毂轴承通过法兰盘与汽车轮毂相连接来实现 传动的作用，同时通过外圈凸缘实现支撑车身的作用。与通用的轴承相比较，轮 毂轴承结构形式和承载工况更为复杂、与汽车其它部件的连接方式特殊【4 1 。近 年来，汽车生产厂家和相关供应厂家更加关注产品的安全性能以及对环境的影 响。轮毂轴承原有的功能得到改进并加入了一些更为先进的功能，以便更好地 满足汽车对轮毂轴承的各种要求。新型轮毂轴承单元不断涌现，最新的第四代 轮毂轴承已研制成功，距离实用化也不会遥远。 1 2 研究背景及现状 1 2 1a b s 发展历程及现状 1 ) 国外a b s 发展历程及现状 a b s 系统的发展可以追溯n - - 十世纪初期，早在1 9 2 8 年防抱死制动理 论就被提出，在3 0 年代机械式防抱死制动系统就开始在火车和飞机上获 得应用。德国b o s c h 公司在1 9 3 6 年第一个获得通过磁电式车轮转速传感器得 2 上海大学硕士学位论文 到车轮转速的制动防抱死专利权，它是由装在车轮上的磁电式转速传感器和控 制液压的电磁阀组成，使用开关方法对制动压力进行控制，这是a b s 发展史上 的一个重要里程碑【5 】。 2 0 世纪3 0 5 0 年代，西方国家研制出纯机械式的防抱死制动装置，并少 量装备于汽车。1 9 4 8 年美国的w e s t i n g h o u s ea i rb r a k e 公司开发了铁路机车专 用的a b s 装置。到了2 0 世纪6 0 年代，模拟电子技术在防抱制动系统上开始应 用，但因为成本太高、可靠性较低，未能在汽车上广泛应用。2 0 世纪7 0 年代 后期出现了数字式电子控制的制动防抱系统，从而揭开了现代防抱死制动系统 大发展的序幕。 2 0 世纪8 0 年代以来，电子技术得到极大的发展，从而使得a b s 的可靠性 更加完善，加之汽车行驶速度的提高，致使制动时车轮抱死拖滑成为行车安全 的重大隐患之一，为了改善制动性能，保障行车安全，促进了a b s 的使用日益 广泛。2 0 世纪9 0 年代后，a b s 的发展和应用非常迅速，并开发出新产品，成 为许多汽车，特别是轿车的标准装备。世界各发达国家都对汽车安全性提出了 强制性要求，欧、美、日等发达国家为了提高汽车安全性，制定了严格的法规 【6 】。预计在今后的几年里，世界上8 0 的汽车将会装有a b s 。a b s 己经成为全 球汽车市场及各国汽车出口的标斛7 】。 2 ) 国内a b s 发展历程及现状 我国对a b s 的研究开始于2 0 世纪7 0 年代，1 9 7 7 年，长春汽车研究所首 先进行了气压制动a b s 的研究。西安公路学院开发了中规模集成逻辑电路型电 子a b s ，于1 9 8 2 年1 0 月进行了路上试验。湖北东风汽车公司于1 9 8 5 年引进 了德国k n o o r 公司气压a b s ，安装于e q l 4 0 汽车上进行试验研究，并自行开 发了电控部件。近年来，济南重型汽车集团技术中心自1 9 9 4 年开始研究气压制 动a b s ，目前已自行研制成功了1 6 位的汽车防抱死制动电子控制器。清华大 学汽车工程系自1 9 8 9 年开始a b s 的理论研究，1 9 9 1 年引进美国本迪克斯a b s ， 并己安装在b j 2 1 3 ( 切诺基) 吉普车上，并进行了初步的道路试验1 2 。 总的来说，a b s 技术含量较高，我国a b s 的研发工作起步相对较晚，技 术水平与先进国家相比还有很大的差距，人力与资金的投入严重不足，实际上 3 上海人学硕士学位论文 仍处于研制、试验阶段。国内有些a b s 研发单位尽管也具有生产a b s 的能力， 但技术尚不够成熟，产品的应用并不广泛，在短期内还是主要依靠进口或与国 外厂商协作。汽车工业在国内和国际上都是支柱产业，a b s 有很大市场，只要 技术上先进，产品可靠，其经济效益是不可估量的。 随着我国汽车工业的发展，汽车a b s 配套比例的提高，我国汽车a b s 行 业将保持高速增长趋势，2 0 0 6 年，我们汽车a b s 市场需求量已经接近3 7 0 万 套，占汽车产量的5 1 左右，其中乘用车a b s 需求接近3 6 0 万套，而2 0 0 6 年 中国乘用车生产量为5 2 3 3 1 万辆，乘用车a b s 的装配率已经达到了6 8 。如 果不计算交叉乘用车，那么我国除交叉乘用车之外的乘用车中，a b s 的配置率 已经达到了8 2 。据预测，到2 0 1 0 年，我国汽车a b s 的总需求量将超过6 0 0 万套【引。 a b s 的研究项目被列入“九五”科技攻关计划。2 0 0 4 年7 月发布的a b s 产 品的国家标准g b 7 2 5 8 2 0 0 4 等都采用了联合国欧洲经济委员会( e c e ) 的汽车制 动法规的要求。预计不久的将来，我国自己生产的汽车都会装上国产的a b s 装 置。 a b s 从出现到广泛应用于汽车上，经历了近半个世纪，到目前为止a b s 的总体结构方案已趋于成熟，但汽车制动安全技术目前仍是汽车技术的一个热 点。a b s 装置已是当今世界公认的提高汽车安全性能必不可少的装置之一，a b s 与其它汽车部件的结合是一个必然的发展方向，汽车控制是一个系统工程问题。 所以，a b s 研究工作需要与其他部件综合起来寻求整体最优化。 我国a b s 的研究工作起步于七十年代末，技术水平与先进国家相比差距很 大，但近年来我们国家己开始重视a b s 方面的研究与实验，并取得了可喜的成 绩，有理由相信在不远的将来我国具有自主知识产权的a b s 会大规模应用于 各类汽车上，同时这也是一个巨大的产业链，将能极大地刺激汽车经济的发展。 1 2 2 轮毂轴承发展历程及现状 第一代轮毂轴承是外圈整体式内圈背对背组合的双列角接触球轴承或双列 圆锥滚子轴承。它由两个内圈和一个外圈组成。这种结构的主要优点是可靠性 好、方便安装、有效载荷间距短、无需调整、结构更加紧凑等。为保证安装后 4 上海大学硕士学位论文 预紧载荷在规定范围内，预先设定初始轴承游隙，在汽车组装线上无需使用调 整预紧载荷的隔圈，这就要求沟心距有很高的精度。此外，轮毂轴承自带密封圈， 省去了人工外部安装密封圈的步骤。由于此类轴承的实用化，进口车型中很多 采用该种轴承。 第二代轮毂轴承单元是将轴承套圈与跟轴承相配合的零件即轮毂或转向节 制成一体的结构型式，图1 2 是其结构图和实物照片。第二代轮毂轴承的外圈 带法兰盘，相对于第一代轮毂轴承，其特点是重量较轻，装配部件数较少，易 于安装。它直接通过镙栓安装到刹车盘和钢圈上或连接到悬架上。为了进一步 节省空间并缩短生产周期，在回火工艺中也使用了感应加热系统。为了避免车 削时刀架重复拆卸，在热处理后紧接着引入一次装夹车削两个滚道的工序。 图1 2 第二代轮毂轴承( 1 带凸缘的外圈2 保持架3 内圈4 球) 第三代轮毂轴承由连接到刹车盘和钢圈上带法兰盘的内圈和连接到悬架上 带法兰盘的外圈相组成。与第二代轮毂轴承不同，第三代轮毂轴承集成了a b s 传感器。与第一代轮毂轴承相比，第三代轮毂轴承具有安装方便，预置预紧载 荷、易安装a b s 传感器和高刚性等优点，现在汽车上已大规模的应用第三代 轮毂轴承单元【9 1 。 负游隙( 最佳预紧力) 技术的成功开发，为提高轴承的使用寿命和汽车悬架 所需的车轮稳定性做出了贡献。如图1 3 所示结构是以前普遍接受的常规设计， 即带凸缘的内圈与小内圈进行压紧配合，然后通过锁紧螺母将其固定在一起。 其中，带凸缘的较大内圈与小内圈必须保证固定在一起，如果小内圈松脱会导 上海大学硕士学位论文 致车身与轮子脱离，后果很严重，必须防止此类情况的发生。轴向力的存在会 保证小内圈的轴向紧固，以免两个内圈间发生相对的旋转，为了提高轴承单元 寿命、旋转精度和刚性需要确定合适的预紧力。同时，在受到外部作用力时， 要确保两个内圈上相互配合的接触表面不发生分离3 1 。 1 1 带凸缘的外圈2 保持架3 小内圈4 。锁紧螺母5 球6 带凸缘的内圈 图1 3 第三代轮毂轴承 n s k 公司开发的新型轮毂轴承是通过轴端的旋压成形，由于受到轴向力的 作用，小内圈与带凸缘的产生塑性变形内圈被紧压在一块，而传统的第三代轮 毂轴承的两个内圈是通过锁紧螺母连接起来的。旋压成形技术使得轴承可靠性 得到提高，并且轴承自身也能够提供预载荷，即使在连接螺母松动的情况下。 如图1 4 所示，旋压成形技术采用的是旋转模锻工艺，倾斜的上模在工作时， 因为受到下方的压力而产生塑性变形的带凸缘内圈轴端，就可以跟小内圈压紧 在一块。 i a 图1 4 旋压成形工艺示意图( 1 内置内圈2 冲头3 轮毂轴) 6 上海大学硕士学位论文 第四代轮毂轴承单元是把轴承与等速万向节做成一个整体，解决了现有技 术中由于轮毂与等速万向节一体结构使得轮毂的尺寸增大造成重量增大的缺点 【。图1 5 是一种能产生转动适应变形的第四代轮毂轴承单元。第四代轮毂轴 承单元的研制已经取得成功，相信在不久将能大规模应用于各类汽车上。这种 轮毅轴承的特点是：不需要调整轴承组装间隙，重量减轻体积减小，轴承组装 工艺更加合理，一次性装脂后几乎可永久使用，降低了整体生产的成本，更加 有利于大规模普及。 图1 5 第四代轮毂轴承单元的结构图 随着汽车工业的迅猛发展对汽车的轮毂轴承单元提出了更高的要求。减轻 重量，降低摩擦力矩，单元化设计以及实现结构紧凑可以很好地减少汽车能源消 耗；改善密封性能和设计技术可以提高可靠性和寿命以及提高速度性能和刚度； 轮毂轴承的智能化技术极大的促进了a b s 技术的普及，显著改善汽车行驶的稳定 性和安全性。 1 ) 摇辗技术 第三代轮毂轴承普遍采用摇辗技术自锁半内圈，采用摇辗技术时轴向载荷使 轮毂主轴端产生塑性变形，从而使得轮毂主轴与半内圈连接为一体。相对于传统 的螺母紧固，采用了摇辗技术的第三代轮毂轴承有助于减少体积和重量，同时降低 成本，提高了轮毂轴承的可靠性。同时，在组装到汽车时免去了调整内部零部件 位置的步骤【1 。 7 上海大学硕士学位论文 2 ) 高性能密封圈 由于轮毂轴承非常接近地面和高温的刹车盘等零件，需要适应各种路况及 恶劣的行驶环境。所以轴承密封圈应具有良好的防漏脂性能，同时还必须具备 良好的耐热、防污水和防泥浆的性能。 3 ) 低摩擦力矩 降低汽车油耗的重要措施是设计低摩擦力矩的轮毂轴承，而影响轴承摩擦力 矩的主要因素是预紧载荷和轴承的类型，轴承密封造成的摩擦力矩成分又占中很 大比例。因此，改进密封设计降低摩擦力矩可显著提高轮毂轴承的性能。轮毂轴 承由第一代发展到最新的第四代，摩擦力矩明显地逐步减小。 4 ) 轻量化与小型化 第二代和第三代轮毂轴承结构设计时都要进行有限元分析，在保证法兰盘有 足够刚性的同时尽可能的减小其体积和重量，其中第三代轮毂轴承的刚性即轮毂 法兰盘相对外圈法兰盘的倾斜角。通过一体化和小型化设计来减轻车轴的重量， 第二代轮毂轴承比第一代减轻了1 8 0 9 ，而第三代轮毂轴承又进一步减轻了1 2 0 9 的 重量。 5 1a b s 技术 a b s 是一种具有防滑、防锁死等优点的汽车安全控制装置。转速的检测是通 过安装在随车轮转动的零件上的音轮以及音轮附近固定在车体上的磁力传感器 进行的。 国内对于a b s 轮毂轴承的研究相对比较少，且多为理论探索，离实际应用 还有很长的路程。 蒋兴奇、黄志强等人论述了n s k 第三代轮毂轴承的开发，文中从预紧载荷 控制和测量以及轮毂轴承的密封技术等方面重点介绍了n s k 轮毂轴承的最新 技术【l l 】。 洛阳轴承研究所的张琳、陈君豪等人摘译的轮毂单元的技术动向，介绍了 带有传感器的a b s 轮毂单元结构【1 2 】。 黄安贻、张旭梅、郑美如、王洲发等人发表的新型a b s 车轮轮速传感器， 介绍了一种新型a b s 车轮轮速传感器，利用m a t l a b 编程对其输出特性进行 上海大学硕士学位论文 了数字仿真，通过实验测定了传感器的输出特性【1 3 】。 上海大学赵志峰等人进行的速度检测型传感器轴承的设计，阐述了霍尔传 感器的的结构以及速度、转向测量的原理，进行了基于霍尔传感器的智能轴承 的结构设计【1 4 1 。 n s k 公司的a b s 传感器轴承轮毂包括一个脉冲圈和传感器。脉冲圈是带 有多组南北极的永磁体。由于脉冲圈和传感器都装在轮毂轴承内部，所以很少 受到水和灰尘的损害。德国f a g 公司带有霍尔传感器的深沟球轴承，可用于汽 车防抱死系统，如图1 6 所示。 自- r h m 嘲m h f i u - - 1 0 n 朝打击呵 u 疆t 啊f 啊翻 图1 6f a g 传感器轴承的结构轴承 德国博世公司是拥有大量a b s 专利的发明者，也是世界a b s 产品批量生 产的开拓者，文章“德国博世防抱死制动系统”详细介绍了防抱死制动系统的系 统结构和工作原理【1 5 1 。 美国国家专利局的文章b e a t i n gr o t a r ys p e e ds e n s o rw i t hc o n c e n t r i cm u l t i p o l e m a g n e t i cr i n g sa x i a l l ya l i g n e dw i t hc o l l e c t o rb r a n c h e s 详细介绍了速度传感器轴 承的内部结构及密封装型1 6 1 。 此外，对于具有a b s 功能的轮毂轴承单元，各大轴承制造商均有类似产品， 如日本k o y o ，法国s n r ，n s k 等。经过多年的技术积累以及随着汽车工业的 迅速发展，a b s 用轮毂轴承单元也已经发展到了第三代产品，性能得到了极大 提高。 9 上海大学硕士学位论文 当前世界上新型轿车车轮轴承已全面采用了汽车轮毂轴承单元技术。轮毂 轴承正逐步成为与车轮连为一体的内部部件，并与传感器相结合向着数字化方 向发展【1 。丌。汽车轮毂轴承单元作为一种轴承新品种，在国内外市场需求量都很 大，国外各大轴承生产大公司纷纷投入了大量人力物力研究开发新型轮毂轴承 单元，并取得了较大的进步。如s k f 公司和n s k 公司生产的轮毂轴承单元在 全球有着很大的市场占有率，如图1 7 所示。国内轴承企业生产的轮毂轴承在质 量稳定性及尺寸精度等方面与国外先进水平都有很大差距，但我们近几年来也 取得了可喜的进步，在国内如浙江万向汽车轴承有限公司在生产轮毂轴承方面 取得了很大进展，另外该公司生产的第三代轮毂轴承单元填补了国内空白，被 确认为达到国际同类产品先进水平【1 8 1 。相信在不远的未来我们的汽车上都能安 装上国产的轮毂轴承。 图1 7s k f 传感器轴承单元 1 2 3 轮毂轴承的技术要求及性能 根据j b t 1 0 2 3 8 中关于汽车轮毂轴承的规定，主要有技术要求和轮毂轴承单 元性能试验如下所述。 轮毂轴承单元是汽车中重要的安全保证部件，有各种技术要求和检查项目， 其中主要包括： 钢材的内在质量对轮毂轴承单元性能的影响较大，因此对轴承所用材料的 洁净度要求较高，滚动体和套圈可由真空脱气轴承钢来加工。法兰盘用碳素钢 即能满足要求，可用5 0 或5 5 钢制造，热处理后淬硬层深度1 5r n l i l ，滚道表 l o 上海大学硕十学位论文 面硬度为5 8 6 4 h r c 。塑料保持架即可满足保持架的要求，可充分利用其抗拉 刚性好、耐磨损、强度高、抗疲劳及成形简单的优点。 轮毂轴承单元的旋转精度比尺寸精度高一个等级，即可满足性能要求，即 旋转精度为6 级，尺寸精度为0 级。 轮毂轴承单元的结构特点要求轴承游隙在装配时就已预调好，安装时不需 再进行游隙调整，这样游隙就有着严格的要求。但由于车型的不同，其游隙的 具体数值也各不一样，因此j b t 1 0 2 3 8 中并未规定具体的游隙值公差范围，只 是注明轮毂轴承单元的游隙要符合产品图样所规定的。 汽车维护时也不需要对轮毂单元进行重加润滑脂和清洗，这是因为轮毂轴 承单元的添脂和封密等均是在生产时已经完成，所以轴承内的润滑脂和轴承上 的密封是终生性的直至轮毂轴承报废，这就要求轮毂轴承要有性能良好的密封 性能和润滑脂。轮毂轴承单元的密封装置既要防止灰尘和水进入轮毂单元，又 要防止润滑脂渗漏，双层密封或双唇密封圈是主要的密封形式。 轮毂轴承的使用寿命是由润滑剂寿命、密封件寿命、疲劳寿命及凸缘寿命 共同决定的。轮毂轴承的寿命是通过实车耐久试验确定的，这需要在试验场上 进行的，是一个复杂的实验内容，仅通过理论分析的寿命计算是不全面的。 1 3 课题研究的目的和意义 本课题来源于上海大学轴承研究室与洛阳l y c 轴承有限公司的合作研发 项目。 a b s 的原理是充分利用轮胎和地面的的附着系数，主要采用控制制动液压 压力的方法，给各车轮施加最适合的制动力，以实现提高汽车制动能力的目的。 a b s 具有以下优点【1 9 】： ( 1 ) 缩短制动距离，明显改善制动效能。这是因为在同样紧急制动情况下， a b s 系统可以将滑移率控制在2 0 左右，充分利用纵向峰值附着系数和较大的 侧向附着系数，使车轮和地面间产生最大的地面制动力，缩短了制动距离。 ( 2 ) 增加汽车制动时的稳定性。汽车在制动时，四个轮子上的制动力是不 一样的，如果汽车的前轮抱死，驾驶员就无法控制汽车的行使方向，这是非常 上海大学硕士学位论文 危险的：倘若汽车的后轮先抱死，则会出现侧滑、甩尾，甚至使汽车整个调头等 严重事故。a b s 可以防止四个轮子制动时被完全抱死，提高汽车的行使稳定性。 资料表明，装有a b s 的车辆，可使因为车轮侧滑引起的事故比例下降8 左右。 ( 3 ) 极大的改善了轮胎的磨损状况。车轮抱死会造成轮胎严重磨损，轮胎 表面磨损也会不均匀，使轮胎磨损消耗增加。 ( 4 ) 减轻驾驶员的劳动强度，减少驾驶员紧张情绪，提高了乘客的乘坐舒 适性和安全性。 随着国民经济的快速发展，汽车业迅速发展。同时，交通和科技的不断进 步，汽车的行驶速度得以不断提高，致使交通事故频繁，这就使得汽车的安全 性能愈发重要。而a b s 作为一种优秀的汽车安全装置，势必需要投入大量的人 力物力进行科学研究及生产制造。 1 4 论文的章节安排 防抱死制动系统，简称a b s ，是一种具有防滑、防锁死等优点的汽车安全 控制装置。而轮毂轴承是汽车a b s 的关键零部件之一。本文旨在设计一种基于 霍尔传感器的具有a b s 功能的汽车轮毂轴承，其主要工作内容有： 第一章：分析汽车防抱死制动系统和a b s 轮毂轴承国内外的研究现状及性 能要求。 第二章：论述了汽车a b s 的原理及其基本结构组成，然后介绍了汽车轮毂 轴承的结构原理等信息，并重点描述了霍尔传感器用于轮毂轴承的优势。 第三章：针对这一新型轮毂轴承的设计，参考相关知识及合理的计算等， 给出了此轮毂轴承的详细结构，绘制其二维零件图及装配图，同时用三维软件 建模以便更加直观。 第四章：为了便于此轮毂轴承能系列化生产，用p r o e 族表的设计方法进 行了产品系列化研究，能极大的提高设计效率，具有很强的实用价值。结构设 计完成后，通过有限元分析软件分析该结构的合理性，实现对结构设计的认可。 第五章：利用a n s y s 软件对环形磁体的表面磁场强度进行分析，以确定 环形磁体与霍尔传感器的距离，实现有效的触发。 1 2 上海大学硕士学位论文 第六章：基于m a t l a b 中的s i m u l i n k 模块，分析了防抱死轮毂轴承所 能实现的防抱死功能效果，相比于没有安装a b s 的汽车，装有a b s 汽车的制 动优势，证明本文所设计的实用性及合理性。 第七章：总结与展望，总结本文所做的工作及取得的成果，然后对未来的 工作进行展望。 上海大学硕士学位论文 第二章a b s 及其轮速传感器的基础知识 2 1 汽车a b s 的基本结构与原理 2 1 1a b s 的基本结构 a b s 一般由轮速传感器、制动压力调节器、电子控制单元三部分组成。不同 的a b s 中，这三部分也不尽相同。通过对汽车制动系统的分析，可清楚的区别 a b s 与常规制动系统的不同。以往的汽车制动是在紧急刹车时，车轮受到制动力 而停止的装置，在此情况下，由于汽车的制动缸制动力要远大于车轮与地面之间 的摩擦力，这将必然导致车轮发生抱死。而装有a b s 的汽车在驾驶员刹车紧急制 动时