带有ABS传感器的新型轮毂轴承单元的设计

1、 6 轴>2010. No. 95-8万方数据 6 轴>2010. No. 9万方数据 6 轴>2010. No. 9带有ABS传感器的新型轮毂轴承单元的设计张钢，刘汝卫,殷庆振，阮娟(上海大学机电工程与自动化学曉，上海200072)摘要:在现有第3代轮锻轴欣单元甚本结构的基础上，对其内部结构进行改进，并结合霸尔传感器设计了一种 新型轮毂轴承单元，介绍了直接利用PRO/E的族表系列化产品及创建轮缎轴承单元的过程，最后介绍了该新 型轮載轴承氓元祗尔传感器蛆元的设计。关键词:轮鍛轴承单元;防抱死系统;雷尔传感器;PRO/E中图分类号:TH133.33U文纖标志码:B文章编号：10

2、00 - 3762(2010)090005 - 04Design of a New Hub Bearing Units with ABS SensorZHANG Gang,LIU Ruwei,YIN Qing-zhentRUAN Juan(School of Mechaironics Engineering and Automationt Shanghai University t Shanghai 200072 9China)Abstract： Combined with Hall sensor, a new type of hub bearing unit is designed with

3、 its internal structure improved based on basic structure o( the third generation hub bearing unit Then, the process of directly using family table series products of PRO/E and establishing hub bearing unit ift introduced. Last, the design of Hall sensor unit of the new hub bearing is introduced.Key

4、 words： hub bearing unit； anti -locked braking system； Hall sensor； PRO/E万方数据 6 轴>2010. No. 9万方数据 6 轴>2010. No. 9轮毂轴承单元是汽车的关键零部件之一，其 主要作用是承载重量和为轮毂的转动提供精确引 导。当前,轿车轮毂轴承逐步向单元方向发展，由 单一的轴承变为集成轴承、轮毂及防抱死制动系 统(Anti - locked Braking System, ABS)传感器的功 能部件。文献1论述了 NSK第3代轮毂轴承单 元的开发，从预载荷控制和测量以及轮毂轴承单 元的密封技术等

5、方面重点介绍了 NSK轮毂轴承单 元的最新技术。文献2介绍了带有ABS传感器 的轮毂单元结构。以往的轮毂轴承单元多采用磁 电式传感器,频率响应不高，现在国内、外ABS的 控制速度范围一般为15 160 km/h,今后要求控 制速度范围扩大到0 300 km/h或更大，这就对 轮速传感器提岀更髙的要求。国内目前对于ABS轮毂轴承单元的研究相对 比较少，且多为理论探索，离实际应用还有很长的 路程。対此，文献3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结构以及速度、转收稿日期：2010 - 01 -29；修回日期：201005-26 向测量的原理，逬行了基于霍尔传感器的智能轴 承的结构设

6、计。这里采用频舉响应更高的霍尔传 感器来检测轮速，并结合国内、外现有第3代轮毂 轴承单元技术，最终设计出一种基于雷尔传感器 的新型汽车轮載轴承单元,实现更大范围的速度 检测，以适应未来汽车轮毂轴承单元的需要。1整体结构设计所设计的新型ABS轮毂轴承单元结构如图1 所示,是在第3代汽车轮毂轴承单元的基础上保 持轴承与汽车的接口尺寸部分,改进内部结构，并 结合霍尔传感器而组成的一种具有防抱死功能的 新型轮毂轴承单元。其中，内凸缘的轴颈靠近半 内圈外侧端面处设有方形环形槽该环形槽设有 内圈止位挡圈，挡圈的截面为与环形槽相配的方 形,并且挡圈由两个半圈构成。该轮毂轴承单元的内凸缘通过$亍M10的螺 栓

7、连接到刹车盘上。为进一步减轻质量，在保证 刚度的前提下，此轮毂轴欣单元的外圈是通过3 个M10的螺栓与车辆的悬挂系统相连接的，并与 霍尔传感器单元结合为一个整体。将传感器固定在轴承外圈上，环形磁体固定 在轴承内圈上。当轴承内圈转动时，环形磁体随 之转动，而霍尔传感器保持固定，即可实现对转速 等信息的测量，然后与电子控制单元、制动压力调 节器共同构成汽车的ABS系统。现有的第3代轿车轮毂轴承单元内凸缘轴颈 上设有半内圈定位台阶，通过台阶来调节半内圈 和钢球之间的间隙,进而对整套轮毂轴承单元的 预紧力进行有效地调整。因此该台阶的加工精度 直接影响到整套轮毂轴承单元装配的精度，而目 前内凸缘轴颈上的

8、半内圈定位台阶一般是在车床 上加工而成，梢度不高，造成产品装配合套率偏 低,因此可靠性和寿命也较低。新型轮毂轴承单元取消了内凸缘轴颈上的半 内圈定位台阶，从而避免了该定位台阶对产品组 装精度的形响。在内凸缘轴颈上设环形槽，槽内 设挡圈与半内圈限位配合。由于半内圈可以单独 加工，精度较离，进而整套轮毂轴承单元装配合套 率明显提髙,方便了对整套轮毂轴承单元预紧力 的调整，产品的可靠性和寿命也有所提高。为了更加形象宜观地观察和以后的实体应力 分析等，用PRO/E三维软件绘制出此轮毂轴承单 元各个部件的实体结构图，如图2所示。2基于PRO/E族表的系列化设计重点介绍利用PRO/E族表对轮毂轴承单 元进

9、行设计,通过完全的人机交互式演示来详尽 说明轮毂轴承单元的系列化设计。在设计过程 中，轮毅轴承单元参数的变化引起相对应模型的自 动更新。鉴于轮毂轴承单元由多个零件组成，在此 仅以轮載轴承单元的内圈凸缘为例加以介绍。图2轮般轴承单元装配图2.1确定内圈凸缘的设计参数首先确定族表中的驱动对象，即确定内、外圈 零件中的驱动参数或尺寸。具体步骤为：“插入” 一“旋转放置”-“定义”-“草绘”，绘制如图继而利用“旋转功能”生成内圈凸缘的旋转实 体模型，如图4所示。图4内圈凸塚的试林实体为了使轮毂轴承单元内圈凸缘的尺寸符号符 合习惯用法，可选中要修改的尺寸符号，选择“信 息”中“切换尺寸”，使尺寸转换为可

10、以修改的状态 下，右键选择“属性”，选择“尺寸文本”来进行修 改（文中修改为 41,42,B1 ,B2,K1 ,K2）。2.2创建内圈凸缘的族表首先选择“工具”“族表"即可进入族表的定 义对话框，单击“添加/删除表列”选项中的“添加 项目”，即可依次添加控制轮毂轴承单元内圈凸缘 的结构控制尺寸（内径、外径、内径宽度、内圈凸缘 总宽度、环形槽宽度等尺寸），如图5所示。万方数据张 钢等:带有ABS传想器的新型轮載轴承单元的设让万方数据万方数据族顼M亞扳楼即：7：11 7八!- IDA1A2RIB2K1过津（3尺寸合并零件 參煮樓巾03 X) EO组 0阵列丧 0其他能的霍尔效应器件,从而

11、使集成电路具有对磁场 敏感的待性。如图7所示，永遊体的磁力线穿过祺尔元件 通向齿圈，当齿圈旋转时，霍尔元件和齿圈之间的 间隙交替发生变化磁场强度也随之发生改变，从 而引起霍尔电压的变化,竈尔元件输出mV级正 弦波电压,经放大、施密特整形后输出幅備稳定的 方波脉冲，根据所产生的脉冲数目即可计算出车 轮转速°图5海壮內團凸缘幣要控制旳尺寸其次选择“工貝” “族表” “在所选行处 插人新的实例”，添加不同型号轮载轴承单元的实 际尺寸，如图6所示。图6内圈凸缘族表的创建然后用“枚验”选项确保每个实例的正确性并 保存，如果校验不成功，则需要重新调整参数直到 校验成功为止。轮毂轴承单元其他零件族

12、表的建立可参考内 圈凸缘族衷的建立步骤，然后创建具相应的族表 并进行校核同样可自由调用。以轮毂轴承单元内圏凸缘为例，如果希望建 立轮毂轴承单元的族表，则需利用PRO/E的装配 功能加以实现。首先，以“组件''的形式创建一个 新的文件，选择“插入”“元件”“装配”，从保存目 录下选取一个轮毂轴承单元内圈凸缘的实体模 型，约束定位“缺省”即可满足要求，用同样的方法 再从保存口录下选取轮鍛轴承单元的具他零件, 比如轮数轴承单元外凸缘，由于此处的轮毂轴承 单元内、外凸缘的装配较为简单，可选择为“对齐” “匹配”等约束，即町实现轮毂轴承单元的装配。 依次逐步实现轮毂轴承单元各个零件的装配

13、，实 现整个轮毂轴承单元的族表建立。3传感器单元的设计3.1设计原理与其他能够实现速度检测的传懋器相比，霜 尔传感器具有寿命长、动态响应好、可高速测斌、 抗污染能力强等优点。集成霍尔传感器是在制造 硅集成电略的同时,在硅片上制造具有传感器功1-«应轮;2,$施尔检测秤;3水久越赞：4 一佑号处理电路图7 霞尔元件测地原理图3.2环形磁体材料的选择用一个N-S极间隔分布的环形磁体代替图 7中的感应轮来作为霍尔元件的鮭发源，如图8 所示。对丁环形磁体，耍求其在具有多对磁极的 情况下，仍保持很高的表面磁场强度。但随着磁 极数的增加表面磁场强度呈迅速衰减趋势，因此 环形磁体的材料要具有高磁性

14、能的恃点。图8环形磁体示立图被称为第3代稀上磁体的Nd_Fe_B磁体，无 论是矫顽力还是最大磁能积，相比其他材料都具 有更奇的性能，丙此成为首选。其具体参数为:矫 顽力弘=500 kVm,残留磁通密度Bt =0.66 T,® 大磁能枳（州）咛=80kJ/m'。3.3环形磁体的设计为了实现环形磁体对霍尔传感器的有效触 发，应该使娥尔元件的中心线和环形磁体宽度的 中心线重合,同时坏形磁体的宽度应该比霍尔元 件宽度大。但考虑到轮穀轴承单元的尺寸限制, 环形磁体的宽厦不能太大。为了获得正确的方向 和速度信号，图8中的两个霍尔检测器的输出信 号必须维持90。的相位差，这就要求霍尔元件间

15、距 以及环形磁体的磁极宽皮应该满足：万方数据8轴承2010. No.9*774 = 1( mm )( 1)式中:卩为磁体周期(即一对N-S磁极的宽度)，“ 为正奇数。在此，"取值为1,则T = 4 mm,即环形 磁体的宽度为4 mm。环形磁体的厚度对磁场也有看很大的影响, 当环形磁体的厚度太小时，表面的磁场强度也比 较小，同时随着距离的增加强度会迅速减小，无法 保证有效触发。为了保证环形磁体对霍尔传感器 的有效触发，必须保证一定的厚度。当然,受尺寸 限制，环形磁体的厚度也不能过大,在此将环形磁 体的厚度设为4 mm。传感器主体有两个位置相反的感应元件，可提 供双倍数量的脉冲，这里环形

16、磁体取N -S极为64 对,即能每转一圈可提供128个脉冲。可以通过脉 冲的上升边沿和下降边沿来实现速度信号的处理, 这样便可获得256个脉冲，相应的分辨率为1.4%两个位置相反的感应元件可以用来确定转动 的方向。在该集成电路中包含了作为激发元件的 霜尔触发器，以及用作信号放大和转换的电子电 路。通过施密特触发器将尔传感器产生的模拟 正弦信号放大并转换为方波信号,然后由超前的 信号来确定转动的方向，如图9所示。图9樓拟仕号转換田3.4传感器单元的结构设计爲尔传感器单元的结构如图10所示，内侧的 环形磁体通过支架安装在轮毂轴承单元的内凸缘 端面上外侧的霍尔传感器主体通过过盈配合附 加在轮载轴承单

17、元外凸缘的非密封端面上，为了 能够实现有效地触发，使两者之间保持1 mm的距 离。其具体结构如图11所示。3.5密封性及磁屏蔽的结构设计带有離尔传感器的轮毂轴承单元除宽度不同 外，其他主要尺寸及内部结构与不带有防抱死功 能的轮毂轴承单元相同。设计坚固的传感器座可 承受一定载荷并与半内圈实现过盈配合，环形磁 体的形状和传感器主体分别形成两个r形来实现 迷宫密封，可使轴承免受污染，并防止轴承内的润 滑脂外溢。I 一坡莫合金;2传感器主体;3环形趙体；4 一支座；5总应元件图11宣尔传感器单元厨部放大图传感器在工作中主要考虑静磁屏蔽和电磁屏 蔽两种情况。静磁屏蔽是利用高磁导率住的铁磁 材料做成屏蔽罩

18、以屏蔽外磁场。电磁屏蔽的情况 较为复杂，因为电磁场在导电介质中传播时，其场 量(E和H)的振幅随距离的增加而按指数规律衰 减。这里选择坡莫合金作为屏蔽材料，详细结构 如图11所示，其相对磁导率“为10 000o4结束语在汽车第3代轮毂轴承单元基本结构的基础 上进行改进并结合彷尔传感器设计了一种新型轮 毂轴施单元。其不仅具有第3代轮毂轴承单元的 技术待点，而且采用的霍尔传感器，还具有寿命长、 动态响应好、可高速测量、抗污染能力强導优点。PRO/E族表为机械产品的系列化生产带来了 极大的方便，设计人员只要设计出零件的某些相 关尺寸，然后通过族表实现尺寸的列表化，由尺寸 驱动待性来实现产品的系列化生产。参考文献：1 蒋兴奇，黄志强.NSK第三代轮毅釉承单元的开发 J.轴承，2002 ( 4)：46 - 492 张 琳，陈君豪轮锻单元的技术动向J.轴承, 2000(4)：42