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原文传递旋压铆合成形三代轮毂轴承疲劳寿命分析与优化研究

论文题名：	旋压铆合成形三代轮毂轴承疲劳寿命分析与优化研究
关键词：	汽车轮毂轴承;旋压铆合;交变受载;疲劳寿命
摘要：	旋压铆合成形式第三代轮毂轴承是目前广泛应用的汽车关键零部件。与螺母锁紧式三代轮毂轴承相比，经旋压铆合加工成形的第三代轮毂轴承，具有结构紧凑、重量轻、安装方便、不易松脱和结构可靠性高等众多优点。汽车行驶过程中，轮毂轴承承受径向、轴向联合载荷冲击作用，受力情况复杂，需较高的产品质量来保证其可靠运行，进而对结构设计提出了更高的要求。针对现有第三代轮毂轴承实际结构，开展基于旋压铆合成形工艺和疲劳寿命分析的结构优化设计研究，对提升该型轮毂轴承的使用寿命及汽车行驶安全性具有重要意义。　　本文针对第三代轮毂轴承的耐久性问题，分别采用理论分析、有限元仿真和多目标优化方法，开展了某型旋压铆合成形式三代轮毂轴承疲劳寿命优化研究。研究工作主要有：　　首先，根据某型第三代轮毂轴承实际设计结构，建立了包含大内圈、小内圈、滚动体、保持架、外圈及旋压铆头等组件的轮毂轴承有限元动力学模型，按照实际旋压铆合加工过程进行边界定义和载荷施加。采用显式动力学方法对有限元计算模型进行求解，获得了三代轮毂轴承在给定旋压铆头进给速度、旋转速度和倾斜角度下的等效应力云图、铆装力、卡紧力和负游隙等重要数据。仿真所得三代轮毂轴承旋压铆合成形结构与实际加工样件成形情况基本一致，轮毂轴承旋铆仿真成形后最大等效应力出现在大内圈与小内圈的接触区。结果为旋压铆合成形式三代轮毂轴承的疲劳寿命分析提供了数据支撑。　　其次，在轮毂轴承旋压铆合成形有限元仿真分析基础上，计入轴向卡紧力、负游隙和残余应力影响，建立了旋铆成形轮毂轴承疲劳加载有限元模型，研究了旋压铆合成形轮毂轴承在径向、轴向联合加载作用下，滚动体与滚道之间的应力分布规律。针对联合受载作用下的旋铆成形轮毂轴承有限元分析结果，采用Fe-safe软件对轮毂轴承的疲劳寿命进行仿真预测，发现了该型轮毂轴承现有设计结构疲劳寿命的薄弱部位。为提高该型第三代轮毂轴承受载疲劳寿命，基于修正L-P理论，研究了旋压铆合成形三代轮毂轴承结构设计参数对疲劳寿命的影响规律，发现轮毂轴承滚动体数量、滚动体尺寸和沟道曲率半径等结构设计参数，是影响该轮毂轴承疲劳寿命的主要因素，为其疲劳寿命优化设计的变量选取提供指导。　　再次，以轮毂轴承滚动体数量、滚动体直径、节圆直径、接触角和内外沟道曲率半径等参数作为影响因子，以额定动载荷和额定静载荷作为响应指标，采用正交试验设计方法，对轮毂轴承疲劳响应指标进行结构参数灵敏度分析。根据灵敏度分析结果，以轮毂轴承滚动体数量、滚动体直径、节圆直径和内外沟曲率半径等结构参数为设计变量，以额定动载荷和额定静载荷为优化目标，建立轮毂轴承疲劳寿命多目标优化数学模型。分别采用非劣排序遗传算法（NSGA-II）、多岛遗传算法（MIGA）和最优化粒子群优化算法（MOPSO）对轮毂轴承多目标优化模型进行求解，获得了该型轮毂轴承最优结构设计参数。　　最后，针对该型轮毂轴承最优疲劳寿命设计结构，进行了旋压铆合成形轮毂轴承有限元动力学仿真分析、疲劳受载分析以及疲劳寿命分析，获得了最优轮毂轴承设计结构的疲劳寿命数据，与优化前轮毂轴承设计结构的相应结果进行了对比分析。结果表明，该优化策略改善了轮毂轴承各组件的应力集中情况，提高了轮毂轴承的疲劳寿命，提升了该轮毂轴承整体性能。较初始设计，优化后轮毂轴承最大应力降低了约5.1%，寿命增加了约3.8%，验证了轮毂轴承疲劳寿命多目标优化设计是有效的，为该型轮毂轴承优化改进设计提供指导。
作者：	孙永刚
专业：	车辆工程
导师：	朱孙科
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2022