轮毂轴承径向直通式迷宫密封的数值分析

雷贤卿，牛 屾，范玉春,郭长建

(1.河南科技大学 机电工程学院，河南 洛阳 471003;2.黎明化工研究院 综合分厂，河南 洛阳 471001；3.人本集团 技术中心，上海 201411)



轮毂轴承径向直通式迷宫密封的数值分析

雷贤卿1，牛 屾1，范玉春2,郭长建3

(1.河南科技大学 机电工程学院，河南 洛阳 471003;2.黎明化工研究院 综合分厂，河南 洛阳 471001；3.人本集团 技术中心，上海 201411)

以轮毂轴承径向直通式迷宫密封为研究对象，针对影响密封结构的4个参数(间隙宽度、空腔深度、空腔宽度、空腔数目)，运用计算流体力学和正交试验方法，通过FLUENT软件的仿真计算，确定了泄漏量最小的密封结构最优参数，探讨了各因素对泄漏量的影响规律。研究结果表明：泄漏量随间隙宽度的增加而增加，随空腔深度或者空腔宽度的增加先减小后增加，随空腔数目的增加而减少。此外，随着进出口压差的增加，泄漏量几乎呈线性增加，但是轴承转速对泄漏量的影响很小。

轮毂轴承；迷宫密封；正交试验；泄漏量

0 引言

轮毂轴承是汽车的一个非常重要的零部件，其主要作用是承重和为轮毂的转动提供精确引导。如果轮毂轴承的密封能力不好，会导致其内部润滑脂的泄漏和外部泥沙、水汽、灰尘等污染物的侵入，不仅影响轴承的使用寿命，有时还会造成严重的交通事故[1-2]。因此，汽车对轮毂轴承的密封能力有着非常严格的要求。

为改善轮毂轴承的密封能力，国内外一些专家学者也进行了研究。文献[3]对轮毂轴承的密封唇采用了大“U”形结构和主副密封唇结构。文献[4]设计了轴向和径向双唇口互补接触式密封。文献[5]对双列汽车轮毂轴承开发了低摩擦整体式密封。虽然这些研究在一定程度上提高了轴承的密封效果，但大多是生产厂家靠经验或者类比对某一轴承在某一工况下的多唇接触式密封结构的改进，没有建立在轴承漏脂的根本原因上去分析，而且参数确定的理论依据也不够充分。

文献[6]揭示了密封轴承漏脂的根本原因：(1)轴承运转引起了内部润滑脂的重新分布；(2)轴承在运转时引起了内部空气温度的升高，高温导致了气压的增加，增加的气压推动密封唇向外扩张开了一个通道使得润滑脂被挤出，从而造成了漏脂现象的发生。因此，仅仅依靠改进多唇接触式密封结构并不能从根本原因上解决轮毂轴承单元的漏脂问题，需要对其选用能够转化、衰减内部气压聚集的密封结构。

迷宫密封具有摩擦小、寿命长的优点，适用于中高速场合。气流每通过一级腔室的温度升高，压力逐级降低，就达到了密封的目的[7]。考虑到轮毂轴承的轴向尺寸紧凑，径向尺寸较大，因此，径向迷宫比较适合汽车轮毂轴承，易形成良好的密封。由于“迷宫式”密封结构本身具有的功能优势，可以把它作为研究新型低摩擦力矩密封结构的一个方向[8]。

本文以图1所示的某汽车轮毂轴承单元径向直通式迷宫密封结构为研究对象，对其内部流场区域建立二维模型，应用计算流体力学(CFD)软件平台，结合计算流体力学相关理论和正交试验设计方法，研究间隙宽度、空腔深度、空腔宽度、空腔数目、进出口压比和轴承转速对泄漏量的影响规律。

1 流体控制方程

流体在迷宫密封内的流动过程，可以认为是二维稳态标准湍流流动[9]。流体在迷宫密封中的流动采用雷诺平均Navier-Stokes方程和k-ε湍流模型来描述。包括连续性方程、能量方程、湍动能方程、动量方程和耗散率方程[10]。使用散度符号可写出方程的通用形式：

图1 轮毂轴承径向直通式迷宫密封结构

div(Γgradφ)+S，

(1)

对式(1)的离散采用有限体积法，连续性方程、能量方程和动量方程的离散格式采用高精度的二阶迎风格式，湍动能方程和耗散率方程采用一阶迎风格式，压力插值格式采用标准插值。

2 模型建立和网格处理

考虑到图1所示轮毂轴承单元的公称尺寸和内外圈厚度，对其径向直通式迷宫密封的二维流场区域模型总长定为7.8 mm，密封齿宽度定为0.5 mm,压力入口距轴承旋转中心轴距离定为21.0 mm，并引入间隙宽度A、空腔深度B、空腔宽度C和空腔数目D这4个结构参数。

采用ANSYS ICEM CFD前处理软件对该模型生成的二维四边形结构化网格。为了保证计算精度，最大网格尺寸为0.01 mm，并对流动比较复杂的近壁面处进行网格加密处理[11]。

3 模拟条件和收敛标准

采用ANSYS FLUENT软件进行仿真计算。由于是轴承运转时内部产生的气压聚集导致了漏脂发生，因此工作介质采用理想气体。模型入口采用“压力入口”，模拟工作总压为0.16 MPa，气流方向垂直于入口边界；出口压力为大气压，其值为0.10 MPa。轮毂轴承模拟内圈工作转速为3 000 r/min，其中心轴即为密封流场的旋转轴。

求解器采用SIMPLE算法。当连续性方程、速度、湍动能及湍动能耗散率的残差都小于1×10-4、能量方程的残差小于1×10-6、进出口流量相差小于0.1%时[12]，可认为仿真计算收敛。用迷宫密封“压力出口”的质量流速来表示理想气体的仿真泄漏量。仿真泄漏量越小，说明气压在迷宫密封内转化、衰减的越充分，密封性能就越好。

4 正交试验设计和仿真结果分析

4.1 正交试验和仿真结果

正交试验中基于四因素三水平的正交方法已被证明是一种科学、合理的方法。对模型中引入的4个结构参数，记作间隙宽度A、空腔深度B、空腔宽度C和空腔数目D，每个因素各取3个水平，表1为试验因素和水平表。

表1 矩形空腔迷宫正交试验因素和水平表

表2为正交试验的模拟方案和结果。表2中，“Kij”表示第j个因素在第i个水平下试验数据之和的平均值，各因素平均值的最小值为该因素的优选水平。因此，本文取正交试验的优选方案1、2、2、3，并测得该方案下仿真泄漏量为0.012 2 kg/s，其压力分布云图和速度分布云图，分别如图2和图3所示。

表2 正交试验的模拟方案和结果

图2 优选方案下的压力分布云图(单位：Pa) 图3 优选方案下的速度分布云图(单位：m/s)

综合图2和图3可以看出：在压差推动下，气流从入口高压侧向出口低压侧流动。当气流进入密封间隙时，由于流道变窄，流速增高，压力降低，即压力势能转化为动能。当气流进入空腔时，由于流动截面面积突然增大，从间隙出来形成高速射流的气体和空腔内部低速湍流的气体之间不断发生摩擦和掺混，产生了剧烈的绕流漩涡，使得气体大部分动能转化为热能，气体在每一个空腔的平均流速逐渐降低。迷宫密封的密封效果就是通过以上过程不断重复实现的。

4.2 间隙宽度对泄漏量的影响规律

仅改变优选方案1、2、2、3下间隙宽度的值，对2、2、2、3和3、2、2、3方案建立模型并仿真计算，仿真泄漏量分别为0.037 12 kg/s和0.075 45 kg/s，得其速度分布云图，分别见图4和图5。

图4 方案2、2、2、3下的速度分布云图(单位：m/s) 图5 方案3、2、2、3下的速度分布云图(单位：m/s)

根据计算结果可以得出：泄漏量随间隙宽度的增加而迅速增大。比较图3、图4和图5可知：随着间隙宽度的增加，直通效应显著增加，间隙射流和空腔中绕流漩涡的强度明显减弱，导致气体从间隙和空腔上部高速流出，泄漏量增大。所以，减小间隙宽度可有效提高迷宫密封的密封能力。但是轮毂轴承在实际运行中，受到生产装配和热膨胀接触磨损的影响，间隙宽度不可能无限小，应综合考虑各方面的因素而定。

4.3 空腔深度对泄漏量的影响规律

仅改变优选方案1、2、2、3下空腔深度的值，分别对1、1、2、3和1、3、2、3方案建立模型并仿真计算，仿真泄漏量分别为0.012 43 kg/s和0.012 37 kg/s。

根据计算结果可以得出：随着空腔深度的增加，泄漏量呈现出先减小后增大的趋势。这是因为：当空腔深度较浅时，空腔中绕流漩涡的强度较弱，能量转化不够充分，临近压力出口的空腔上部气流速度较大。当空腔深度较深时，左端出来的气流进入空腔后在中部产生绕流漩涡，但空腔右下方的气流速度很低，参与能量转化的作用很小，导致间隙左端的高速射流大部分直接流向下一个空腔。而在优选方案的空腔深度下，绕流漩涡完整清晰，说明动能转化热能耗散基本充分，临近压力出口的空腔上部气体平均流速明显降低。

4.4 空腔宽度对泄漏量的影响规律

仅改变优选方案1、2、2、3下空腔宽度的值，分别对1、2、1、3和1、2、3、3方案建立模型并仿真计算，仿真泄漏量分别为0.013 56 kg/s和0.013 93 kg/s。

根据计算结果可以得出：泄漏量随空腔宽度的增加先减小后增加。这是因为：当空腔宽度较小时，气流在空腔的中部偏右处产生了强烈的绕流漩涡，导致空腔右上方气流速度较高，大部分从间隙出来的射流直接流向压力出口，因此和优选方案相比，该方案的泄漏量增大。当空腔宽度较大时，气流在空腔的中部偏左处形成漩涡，而空腔右下方气流速度较低，参与能量转化不充分，导致空腔上方大部分气体高速流出，因此和优选方案相比，该方案的泄漏量也增大。

4.5 空腔数目对泄漏量的影响规律

仅改变优选方案1、2、2、3下空腔数目的值，分别对1、2、2、1和1、2、2、2方案建立模型并仿真计算，仿真泄漏量分别为0.013 69 kg/s和0.013 27 kg/s，得其速度分布云图，分别如图6和图7所示。

图6 方案1、2、2、1下的速度分布云图(单位：m/s) 图7 方案1、2、2、2下的速度分布云图(单位：m/s)

根据计算结果可以得出：泄漏量随空腔数目的增加而减小。比较图3、图6和图7可知：随着空腔数目的增加，发生节流降压和绕流漩涡的次数也随之增加，使得每个空腔都经历了动能转化为热能的过程，气流的平均速度逐渐减小，泄漏量减小。但是迷宫密封的空腔数目不可能无限增大，应根据轮毂轴承的具体型号，在保证密封圈整体强度的前提下，适当增加空腔数目，从而提高密封能力。

5 进出口压比和轴承转速对泄漏量的影响规律

仅改变迷宫密封进出口的压比，取值为1.1～2.0，其他模拟条件不变，对优选方案进行仿真计算。图8给出了泄漏量随进出口压比的变化规律。从图8可以看出：随着迷宫密封进出口压比的增大，泄漏量几乎呈线性增加。

图8 泄漏量随进出口压比的变化规律

仅改变轮毂轴承的内圈转速，取值为1 000～8 000 r/min，其他模拟条件保持不变，对优选方案进行仿真计算。仿真结果表明：轴承转速对迷宫密封的泄漏量影响不大。

6 结论

(1)间隙宽度对轮毂轴承的密封能力起着决定性作用，泄漏量随着间隙宽度的增加而迅速增大。应在保证轴承装配和运行的前提下，选择尽可能小的间隙宽度，提高其密封能力。

(2)随着空腔深度或者空腔宽度的增加，泄漏量均呈现出先减小后增加的趋势。因此，在生产实际中，应根据轮毂轴承的具体型号建立模型，并通过仿真计算确定其最优的空腔深度和空腔宽度。

(3)泄漏量随空腔数目的增加而减少。在保证轮毂轴承迷宫密封圈强度的前提下，可适当增加空腔数目，提高其密封能力。

(4)泄漏量随着迷宫密封进出口压比的增加而增加，但是轴承转速对泄漏量的影响不大。

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国家科技部重大专项基金项目(2012ZX04004011-053);河南省基础与前沿技术研究计划基金项目(122300410114)

雷贤卿(1963-),男,河南洛阳人,教授,博士，博士生导师,主要从事先进制造技术方面的研究.

2014-12-15

1672-6871(2015)04-0018-05

TH136

A