本發(fā)明涉及一種輪轂軸承單元，具體是一種非接觸式輪轂軸承單元及其磁力控制方法，屬于汽車配件領域。

背景技術：

輪轂軸承單元作為汽車重要的零部件，主要作用是承重和為輪轂的轉動提供精確引導，既承受軸向載荷又承受徑向載荷，是汽車承重和導向的重要部件。具有組裝性能好、可省略游隙調整、重量輕、結構緊湊、載荷容量大及免于維修等優(yōu)點，但要求滾子與滾道緊密貼合，有接觸就有摩擦，有磨擦就有磨損。

通過對汽車輪轂軸承失效模式的統(tǒng)計和分析發(fā)現(xiàn)，最常見的失效模式是疲勞損傷，包括局部淺層疲勞和表層疲勞兩種失效形式，具體表現(xiàn)為內外圈滾道和滾動體表面有疲勞裂紋或材質剝落。

中國發(fā)明專利申請cn102141080a公開了一種復合型汽車輪轂軸承，包括凸緣大內圈、小內圈外圈，凸緣大內圈端部設有卷邊，凸緣大內圈頸部設有臺階，卷邊將小內圈固定于卷邊與臺階之間的軸頸上，凸緣大內圈頸部臺階上設有一列圓錐面外滾道，小內圈上設有—列球面外溝道，外圈內側設有一列圓錐面內滾道和—列球面內溝道，圓錐面外滾道與圓錐面內滾道之間設有圓錐滾子，球面外溝道與球面內溝道之間設有球滾子，次發(fā)明采用了將受力較大的內側列軸承設計為圓錐滾子型，受力較小的外側列設計為角接觸球軸承結構的方案，使得輪轂軸承單元不易發(fā)生早期失效，該專利只是改善了輪轂軸承的常見失效，但并沒從根本上解決問題。中國發(fā)明專利申請cn104295604a公開了一種混合偏置型徑向磁懸浮軸承，屬混合型磁懸浮軸承，利用軸向充磁的環(huán)形永久磁鐵、電磁偏置線圈在定子磁極疊片與對應的轉子環(huán)形導磁疊片之間的徑向間隙處建立偏置磁場；利用繞在定子磁極疊片的磁極上的控制線圈產生控制磁場；可調的偏置磁場和控制磁場對轉子產生磁力，實現(xiàn)對轉子徑向位移的控制等，但并未控制磁懸浮軸承的軸向位移。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題在于克服現(xiàn)有技術缺陷，提供一種非接觸式輪轂軸承單元及其磁力控制方法，以實現(xiàn)利用磁力控制軸、徑向間隙保持在安全工作間隙。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為：

一種非接觸式輪轂軸承單元，包括內圈、外圈及磁力控制模塊，所述內圈包括內圈端部、內圈根部及位于內圈端部和內圈根部之間的內圈軸頸，內圈端部處設置有卷邊，卷邊內側及內圈根部內側分別設置有一個臺階，兩個臺階處分別裝配有一列永磁體，內圈軸頸開設有凹槽，凹槽內裝配有兩列永磁體；

所述外圈包括外圈軸頸，以及位于外圈軸頸兩側的外圈端部，外圈端部外側分別設置有一個臺階，兩個臺階處分別裝配有一個混合磁性環(huán)，外圈軸頸開設有凹槽，凹槽內裝配有兩列混合磁性環(huán)；

外圈端部的兩列混合磁性環(huán)分別與內圈的卷邊內側及內圈根部內側的兩列永磁體軸向正對，外圈軸頸處的兩列混合磁性環(huán)分別與內圈軸頸處的兩列永磁體徑向正對；外圈端部的兩列混合磁性環(huán)與內圈的卷邊內側及內圈根部內側的兩列永磁體軸采用同級磁性，由于同級互斥作用，外圈兩端與內圈的卷邊內側及內圈根部內側保持有軸向間隙；外圈軸頸處的兩列混合磁性環(huán)與內圈軸頸處的兩列永磁體采用同級磁性，由于同級互斥作用，外圈懸浮于內圈之上并保持有徑向間隙；

所述磁力控制模塊包括兩個加速度傳感器、一個控制器，一個執(zhí)行器，其中，兩個加速度傳感器分別為第一加速度傳感器和第二加速度傳感器，第一加速度傳感器安裝在輪轂中心，用于檢測車輪垂向加速度az，第二加速度傳感器安裝在汽車質心位置，用于檢測汽車的側向加速度ay；控制器與兩個加速度傳感器連接，用于確定徑向電磁力fez和軸向電磁力fey的大?。粓?zhí)行器與控制器連接，用于改變上述混合磁性環(huán)的磁力大小，從而保證內外圈之間始終處于安全的工作間隙。

進一步的，外圈端部的兩列混合磁性環(huán)是由弧條狀軸向充磁的永磁體和軸向控制繞組組成的陣列，周向上相鄰永磁體之間角度為32度，相鄰控制繞組間角度為90度，相鄰永磁體與控制繞組之間的空隙為2度，外圈端部的兩列混合磁性環(huán)的相位相同。

進一步的，外圈軸頸處的兩列混合磁性環(huán)是由弧條狀徑向充磁的永磁體和徑向控制繞組組成的陣列，周向上等分為8份，永磁體和控制繞組間隔分布，相鄰永磁體與控制繞組之間的角度為2度，外圈軸頸處的兩列混合磁性環(huán)的相位互補。

進一步的，內圈的卷邊內側及內圈根部內側的兩列永磁體、內圈軸頸處的兩列永磁體均采用過盈配合的方式裝配在內圈上，內圈軸頸處的兩列永磁體的外緣端與內圈軸頸外表面平齊，內圈軸頸處的兩列永磁體之間的距離為1-2mm。

進一步的，外圈端部的兩列混合磁性環(huán)、外圈軸頸處的兩列混合磁性環(huán)均采用過盈配合的方式裝配在外圈上，外圈軸頸處的兩列混合磁性環(huán)的外緣端與外圈軸頸內表面平齊，外圈軸頸處的兩列混合磁性環(huán)之間的距離為1-2mm。

進一步的，所述徑向間隙為2-3mm。

進一步的，所述軸向間隙為1.5-2.5mm。

一種基于上述的非接觸式輪轂軸承單元的磁力控制方法，磁力控制模塊中的第一加速度傳感器和第二加速度傳感器將檢測到的加速度信號傳遞給控制器，控制器通過執(zhí)行器來改變混合磁性環(huán)中控制繞組電流大小，保持內外圈之間正常的工作間隙，具體步驟為：

第一加速度傳感器安裝在輪轂中心，檢測車輪受到垂向加速度az，根據試驗數(shù)據得到垂向加速度az與車輪動載荷的傳遞系數(shù)g(s)，路面對車輪的動載荷為：

fd＝g(s)·az(1)

其中，fd為路面對輪胎的動載荷；g(s)為傳遞函數(shù),s為與輸出量與輸入量相關的復參數(shù)；az為垂向加速度；

第二加速度傳感器安裝在汽車質心位置處，檢測汽車的側向加速度ay；根據汽車剛性轉彎模型得到軸承的左/右輪的徑向載荷fzl/zr和左/右輪的軸向載荷fyl/yr：

輪轂軸承承受的徑向載荷增量δfz和軸向載荷增量δfy：

其中，ay為側向加速度；為側向加速度為0時對應的徑、軸向載荷；w為前/后軸質量；h為汽車質心高度；t為輪距；g為重力加速度；

控制器根據第一加速度傳感器檢測到的垂向加速度az并結合公式(1)確定車輪動載荷fd；控制器根據第二加速度傳感器檢測到的ay并結合公式(2)和(3)來確定輪轂軸承承受的徑向載荷增量δfz和軸向載荷增量δfy；第一加速度傳感器和第二加速度傳感器將檢測到的加速度信號傳遞給控制器后，控制器根據公式(1)、(2)和(3)計算出徑向、軸向電磁力fez和fey的大?。?/p>

最后，根據公式(4)中電磁力的大小，控制器通過執(zhí)行器來改變混合磁性環(huán)中控制繞組電流大小，保持正常的工作間隙。

有益效果：本發(fā)明由于采用了上述技術方案，將傳統(tǒng)的輪轂軸承單元改為非接觸式的輪轂軸承單元，取消了內外圈之間的接觸，從而使得輪轂軸承單元不易發(fā)生常見的磨損疲勞失效。此外，根據控制方法結合汽車輪轂軸承的特點，通過汽車車輪的動載荷大小，改變混合磁性環(huán)中控制繞組線圈電流的大小，不僅視為創(chuàng)新，也充分利用了汽車輪轂軸承的特點。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的剖面視圖；

圖2為圖1中a-a截面的永磁體和電磁繞組位置示意圖；

圖3為圖1中b-b截面的永磁體和電磁繞組位置示意圖；

圖4為本發(fā)明的控制模塊工作示意圖；

圖中，1—內圈、2—外圈、3—第一永磁體、4—第二的永磁體、5—第三永磁體、6—第四永磁體、7—第一混合磁性環(huán)、8—第二混合磁性環(huán)、9—第三混合磁性環(huán)、10—第四混合磁性環(huán)、11—第一加速度傳感器、12—第二加速度傳感器、13—控制器、14—執(zhí)行器、15—軸向間隙、16—徑向間隙。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明做更進一步的解釋。

本發(fā)明取消了傳統(tǒng)輪轂軸承單元的內、外圈的接觸，改為內、外圈之間利用磁力互斥保持非接觸狀態(tài)，大大提高輪轂軸承的壽命。此外，根據控制方法結合汽車輪轂軸承的特點，通過汽車車輪的動載荷大小，改變混合磁性環(huán)中控制繞組線圈電流的大小，不僅視為創(chuàng)新，也充分利用了汽車輪轂軸承的特點。

如圖1-4所示，本發(fā)明非接觸式輪轂軸承單元包括內圈1、外圈2，及磁力控制模塊；

內圈1包括內圈端部101、內圈根部102及位于內圈端部101和內圈根部102之間的內圈軸頸103，內圈端部101處設置有卷邊104，卷邊104內側及內圈根部102內側分別設置有一個臺階，兩個臺階處分別裝配有第一永磁體3和第二永磁體3，內圈軸頸開設有凹槽，凹槽內裝配有第三永磁體5和第四永磁體6；第一永磁體3和第二永磁體4結構一樣，每列是由兩塊半圓環(huán)狀的永磁體組合在一起呈圓環(huán)狀，并通過過盈配合的方式裝配于臺階處，卷邊104和臺階限制了第一永磁體3的左右竄動，使輪轂軸承單元更加穩(wěn)定可靠；內圈軸頸103上的凹槽內裝配第三永磁體5和第四永磁體6，第三永磁體5和第四永磁體6也是由半圓環(huán)狀的永磁體組合而成，每列為兩塊半圓環(huán)狀永磁體，組合呈圓環(huán)狀，并通過過盈配合的方式裝配于凹槽內；第三永磁體5和第四永磁體6的外緣端與內圈軸頸103外表面平齊，第三永磁體5和第四永磁體6之間的距離為1-2mm，這樣形成了兩列永磁體結構，提高磁力控制模塊的工作效率。

外圈2包括外圈軸頸201，以及位于外圈軸頸兩側的外圈端部202，兩側的外圈端部202外側分別設有一個臺階，兩個臺階處裝配第一混合磁性環(huán)7和第二混合磁性環(huán)8，如圖2，第一混合磁性環(huán)7和第二混合磁性環(huán)8是由弧條狀軸向充磁的永磁體8-1和軸向控制繞組8-2組成的陣列，周向上相鄰永磁體之間角度為32度，該角度是相鄰永磁體的相近的端部，所形成的圓心角的角度，下文中所提到的角度的定義與此處相似；相鄰控制繞組間角度為90度，相鄰永磁體與控制繞組之間的空隙的角度為2度，且第一混合磁性環(huán)7和第二混合磁性環(huán)8相位相同，有利于左右兩個軸向間隙15的控制。外圈軸頸201上的凹槽內裝配第三混合磁性環(huán)9和第四混合磁性環(huán)10，第三混合磁性環(huán)9和第四混合磁性環(huán)10是由弧條狀徑向充磁的永磁體10-1和徑向控制10-2繞組組成的陣列，周向上等分為8份，永磁體和控制繞組交叉分布，相鄰永磁體與控制繞組之間有間隙，其角度為2度，但第三混合磁性環(huán)9和第四混合磁性環(huán)10的相位互補，使得永磁體的磁力周向上均勻分布，輪轂軸承單元更加穩(wěn)定可靠。外圈上第一混合磁性環(huán)7和第二混合磁性環(huán)8分別與內圈上第一永磁體3和第二永磁體4軸向正對且采用同級磁性，由于同級互斥作用，外圈2兩端與內圈軸頸兩端保持一定的軸向間隙15，為1.5-2.5mm。外圈上第三混合磁性環(huán)9和第四混合磁性環(huán)10分別與內圈的第三永磁體5和第四永磁體6徑向正對，同樣采用同級磁性，外圈2懸浮于內圈1之上并保持一定的徑向間隙16，為2-3mm。第一混合磁性環(huán)7和第二混合磁性環(huán)8、第三混合磁性環(huán)9和第四混合磁性環(huán)10均采用過盈配合的方式裝配在外圈上，第三混合磁性環(huán)9和第四混合磁性環(huán)10的外緣端與外圈軸頸內表面平齊，第三混合磁性環(huán)9和第四混合磁性環(huán)10之間的距離為1-2mm，這樣形成了兩列混合磁性環(huán)結構，進一步提高磁力控制模塊的工作效率。

磁力控制模塊包括兩個加速度傳感器、一個控制器13，一個執(zhí)行器14，其中，兩個加速度傳感器分別為第一加速度傳感器11和第二加速度傳感器12，第一加速度傳感器11安裝在輪轂中心，用于檢測車輪垂向加速度az，第二加速度傳感器12安裝在汽車質心位置，用于檢測汽車的側向加速度ay；控制器13與兩個加速度傳感器連接，用于確定徑向電磁力fez和軸向電磁力fey的大?。粓?zhí)行器14與控制器13連接，用于改變上述多個混合磁性環(huán)的磁力大小，從而保證內外圈之間始終處于安全的工作間隙。

控制方法結合汽車輪轂軸承的特點，在汽車理想工況(良好路面和直線行駛)工況下，徑、軸向永磁體的磁力可保持正常的徑向、軸向工作間隙，控制線圈電流為0；汽車在路面狀況差或轉彎等工況下，安裝在輪轂中心的第一加速度傳感器11檢測車輪垂向加速度az，安裝在汽車質心位置的第二加速度傳感器12檢測到汽車的側向加速度ay，磁力控制模塊中控制器13則根據第一加速度傳感器11和第二加速度傳感器12檢測到的加速度信號，得到與垂向加速度有關的路面對車輪的垂向動載荷fd，與側向加速度有關的輪轂軸承承受的徑向載荷變量δfz和軸向載荷變量δfy，來確定徑向電磁力fez和軸向電磁力fey的大小，控制器13通過執(zhí)行器14來改變混合磁性環(huán)中控制繞組線圈電流的大小，從而保證內外圈之間始終處于安全的工作間隙。

與垂向加速度az有關的路面對車輪的垂向動載荷fd，由第一加速度傳感器11檢測到的垂向加速度az和根據試驗數(shù)據得到垂向加速度az與車輪動載荷的傳遞系數(shù)g(s)得到，路面對車輪的動載荷為：

fd＝g(s)·az(1)

fd為路面對輪胎的動載荷；g(s)為傳遞函數(shù),s為與輸出量與輸入量相關的復參數(shù)；az為垂向加速度。

與側向加速度ay有關的輪轂軸承承受的徑向載荷變量δfz和軸向載荷變量δfy為存在側向加速度ay下徑、軸向載荷與側向加速度ay為0時的差值，根據第二加速度傳感器12檢測到的側向加速度ay和基于汽車剛性轉彎模型，得到軸承的左、右輪的徑向載荷fzl/zr和軸向載荷fyl/yr：

輪轂軸承承受的徑向載荷變量δfz和軸向載荷變量δfy：

ay為側向加速度；為側向加速度為0時對應的徑、軸向載荷；w為前/后軸質量；h為汽車質心高度；t為輪距；g為重力加速度。

徑向電磁力fez和軸向電磁力fey的大小，控制器13根據公式(1)、(2)和(3)計算出徑向、軸向電磁力fez和fey的大?。?/p>

綜上，磁力控制方法具體如下：在汽車理想工況(良好路面和直線行駛)下，徑、軸向永磁體的磁力可保持正常的徑向、軸向工作間隙，混合磁性環(huán)的控制線圈電流為0；汽車在路面狀況差或轉彎等工況下，控制器13根據第一加速度傳感器11檢測到的垂向加速度az和第二加速度傳感器12檢測到的側向加速度ay，確定徑、軸向的動載荷的大小，也就是徑向、軸向的電磁力fez和fey大小，然后通過執(zhí)行器14分別控制徑、軸向混合磁性環(huán)中線圈電流的大小。即：當汽車在狀況差的路面上直線行駛(垂向加速度az≠0，側向加速度為ay＝0)時，徑向電磁力fez相當于地面對輪胎的動載荷:fez＝fd，此時，控制器13確定了徑向電磁力的大小后，通過執(zhí)行器14增加第三混合磁性環(huán)9和第四混合磁性環(huán)10中線圈電流，產生相應的徑向電磁力fez平衡輪轂軸承所受的徑向載荷，保證正常的工作間隙，避免內外圈接觸；當汽車在良好路面轉彎(垂向加速度az＝0，側向加速度ay≠0)時，徑、軸向電磁力大小等于輪轂軸承的徑、軸向載荷變化量：fez＝δfz、fey＝δfy，徑向電磁力同上，控制器13通過執(zhí)行器14增加徑向第三混合磁性環(huán)9和第四混合磁性環(huán)10中線圈電流，產生相應的徑向電磁力fez平衡輪轂軸承所受的徑向載荷，軸向電磁力fey的大小，通過執(zhí)行器14增加第一混合磁性環(huán)7或第二混合磁性環(huán)8中線圈的電流，并且，假設該輪轂軸承安裝在右側，汽車左轉彎時，內側軸向間隙有變小趨勢，則增加第一混合磁性環(huán)7中線圈的電流，右轉彎時則增加第二混合磁性環(huán)8中線圈的電流；當汽車在狀態(tài)差的路面上轉彎(垂向加速度az≠0，側向加速度ay≠0)時，徑、軸向電磁力大小則由地面對車輪的垂向動載荷和輪轂軸承徑、軸向載荷變量共同決定：fez＝fd+δfz、fey＝δfy。因此，輪轂軸承單元的徑、軸向工作間隙利用該徑、軸向混合磁力的控制方法保持在正常的工作范圍，實現(xiàn)輪轂軸承單元內外圈的非接觸狀態(tài)，大大提高了輪轂軸承的壽命。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下還可以做出若干改進，這些改進也應視為本發(fā)明的保護范圍。