柱管轴承在汽车电动转向管柱中的校核

朱卫民

摘 要：柱管轴承是汽车电动转向管柱中的一个重要部件。本文重点分析转向管柱中各处尺寸及形位公差与柱管轴承载荷的关系，并校核在各载荷情况下柱管轴承的工作寿命，最终分析转向管柱中各处尺寸及形位公差对柱管轴承寿命的影响。分析结果表明转向管柱中各处尺寸及形位公差对柱管轴承寿命影响效果不同，设计中可以重点关注影响较大的形位公差。

关键词：柱管轴承；转向管柱；形位公差；载荷；寿命

现在部分汽车所使用的电动转向管柱中，在靠近方向盘的一端，均有一个支撑轴承（以下均称柱管轴承），该柱管轴承普遍采用普通深沟球轴承，要求在车辆转向过程中，该柱管轴承应转动平顺，并且有足够的工作寿命。

转向管柱为细长的管轴结构，如下图1，从转向管柱底端的定位轴承到方向盘端的柱管轴承，有较多的零部件过渡连接。由于各零部件均有加工误差，会导致在柱管轴承处的柱管与轴同轴度较差，即柱管轴承内外圈的配合面同轴度较差，柱管轴承为了校正该同轴度，需要承受一定的载荷，而该载荷直接影响了轴承的转动平顺性及工作寿命。

2 柱管轴承所承受的载荷

2.1轴总成、柱管总成弹性弯曲变形产生的载荷

管柱总成装车状态，受各部位形位公差影响，轴总成与柱管总成不能完全同轴，受各处轴承支撑作用，在各轴承位置，轴总成与柱管总成被约束至相同轴心，轴总成与柱管总成会出现不同程度的弯曲。在分析过程中，先假定壳体轴承6005刚性固定，再计算柱管轴承处轴总成和柱管总成弯曲变形量，可以计算出柱管轴承受的径向载荷。该载荷在转动方向盘过程中，会周期性变化。

通过有限元分析，轴总成在柱管轴承处的弯曲弹性系数为298.3N/mm；柱管总成在柱管轴承处的弯曲弹性系数为2241.1N/mm。通过计算，由于零部件弯曲变形而使柱管轴承承受的径向载荷为378N。

2.2 轴承内外圈夹角（轴总成、柱管总成夹角）产生的侧向弯曲载荷

载荷产生原因同上，在柱管轴承处，上柱管轴承孔与转向轴轴承位不可能完全同轴，会有一定夹角，从而导致柱管轴承内外圈有一定夹角，轴承会受侧向弯曲载荷。在方向盘转动一周过程中，轴总成与柱管总成轴线偏移量会发生变化，从而柱管轴承内外圈夹角也会周期变化，该弯曲载荷会随之周期性变化。通过计算，该载荷会在0N-10105N之间周期性变化。

2.3 方向盘总成自重产生的载荷

方向盘总成自重在柱管轴承径向有一个分力，该载荷方向不变。该载荷为18.1N。

2.4 驾驶员转动方向盘产生的径向载荷

驾驶员在转动方向盘时，会在方向盘切向产生一个驱动力，该力由柱管轴承承担，假设该载荷方向不变。该载荷为105.3N。

通过综合计算，柱管轴承承受的综合载荷在转动一周内变化情况如下图2，其平均载荷为5076.7N。

3 轴承疲劳寿命校核

按柱管轴承寿命要求，该轴承工序转动3.3×6×4.2=83.16万转。轴承校核寿命不小于该值即为满足设计要求。

3.1 轴承额定动载荷

查相关手册并计算，轴承基本额定动载荷C=6298.03N。

根据前述轴承载荷计算结果，轴承当量动载荷P=5583.1N。

该轴承额定疲劳寿命L==1.435（百万转）。

3.2 轴承工作间隙

该轴承在自由状态下，其径向间隙为0mm-0.01mm。

轴承安装时，内外圈均过盈，故外圈收缩、内圈膨胀导致径向游隙减少，外圈滚道直径收缩量加内圈滚道膨胀量即为配合导致的径向游隙减少量。通过计算，轴承间隙减少量ΔD最小为0.005mm，最大为0.043mm。

轴承在运转过程中，内、外圈会出现温差，会减少径向游隙。通过计算，温差导致的间隙减少量δt为0.002mm。

前述分析过程中，轴承内、外圈偏转也会引起径向游隙减少。通过计算，该减小量ΔDW最小为0.004mm，最大为0.012mm。

即轴承实际工作时最小间隙为-0.036mm，最大间隙为-0.022mm，轴承工作在负游隙状态。

3.3 轴承承载疲劳寿命Lε

通过间隙与轴承承载率ε函数f（ε）关系计算，函数值最小为-2.418，最大为-1.313。对应Lε/L值查手册，对应最小值为0.781，最大值为0.989。

即轴承实际疲劳最短寿命Lε=0.781×L=0.781×1.435=1.121（百万转），轴承实际疲劳最长寿命Lε=0.989×L=0.989×1.435=1.42（百万转）。

4 设计参数调整对轴承寿命的影响

各形位公差放寬50%后轴承寿命变化，见下表3。从表3可以看出，部分形位公差对轴承寿命影响较大，不能放宽，部分形位公差对轴承寿命影响较小，生产中可以考虑适当放宽。

5 结语

从载荷分析情况看，柱管轴承承受的侧向弯曲载荷远高于其它载荷，主要是因为普通深沟球轴承角间隙很小，基本没有调心功能。现在国外已经开发出特殊结构的柱管轴承，采用冲压外圈，滚子采用尼龙圈和钢丝挡圈预紧，这种结构的轴承可以有较大的调心范围，可以消除轴承的侧向弯曲载荷，轴承具有更长的工作寿命

在该SUV用无刷EPS转向管柱设计中，采用普通深沟球轴承的柱管轴承寿命能够满足要求。柱管轴承工作状态内部游隙较小，后期可以考虑调整游隙等级。设计参数中的部分尺寸及形位公差对柱管轴承寿命影响较大，在生产条件允许的前提下，应尽量严格控制，其它影响较小的可以适当放宽。

参考文献：

[1] 成大先 机械设计手册（第五版），化学工业出版社，2008.1.

[2] NSK轴承综合样本 CAT.No.CH1103c.