一、项目背景
轮毂轴承单元（Hub Bearing Unit）是连接车轮与转向节的关键承载部件，其内圈与半轴通过花键连接传递驱动扭矩。花键齿根过渡圆角处存在明显的应力集中，是整根传力链中强度最薄弱的环节之一。随着新能源车型驱动扭矩和簧下质量持续提升，花键连接的载荷水平显著上升，齿根应力已成为轮毂轴承单元设计验证中必须重点校核的指标。
某整车企业在某款纯电动 SUV 车型开发阶段，委托我们对在研轮毂轴承单元开展花键连接轴向应变采集与应力测试，目的包括：
- 实测花键齿根在典型工况下的真实应力水平，验证设计计算与有限元仿真结果；
- 获取实际载荷谱数据，为花键连接疲劳寿命评估提供输入；
- 对比不同花键参数（模数、压力角、修形量）对齿根应力的影响，支撑方案选型。
二、测试方案设计
2.1 测点布设
花键齿根尺寸小、曲率大，贴片难度高。我们在轴承单元内圈花键的 3 个均布齿位上各布置 1 片齿根应变片，同时在相邻的未承载齿位布置 1 片温度补偿片，共 4 个测量桥路。齿根测点位于节圆以下 1.5 mm 处（应力集中最显著的截面），应变片轴线沿轴向粘贴，用于采集花键齿受载时的轴向应变分量。
2.2 应变片与桥路
选用 KFGS-2-350 型 350Ω 高精度箔式应变片（灵敏系数 2.02±1%，应变极限 2%），采用 1/4 桥 + 外接温度补偿片的组桥方式。应变片粘贴完成后涂覆中性硅橡胶保护层，防止高湿和盐雾环境对测量桥路的影响。
2.3 采集系统
采用 DEWESoft SIRIUS 系列 8 通道隔离式应变采集仪，具备每通道独立的激励源和 24 bit ADC。配置如下：
| 参数项 | 配置 | 说明 |
|---|---|---|
| 采样率 | 10 kS/s（每通道） | 兼顾扭矩瞬态与疲劳谱分析带宽 |
| 桥压 | 2.5 VDC | 350Ω 桥路，自热影响最小化 |
| 滤波 | 1 kHz 抗混叠低通 | 滤除转频高频分量与电磁干扰 |
| 通道数 | 8 通道同步 | 4 测点 + 4 温度补偿，可扩展 |
| 系统精度 | ±0.5% FS | 含应变片灵敏系数修正 |
三、试验实施
试验在专用传动试验台上开展，通过花键轴侧输入扭矩加载，轮毂轴承侧模拟整车载荷边界（垂向预载 + 侧向力）。按以下工况顺序执行：
- 静强度工况：分级加载至 ±30 kN·m，每级保载 60 s，记录齿根应变稳态值，校核线性度与滞后；
- 脉动工况：以 0.5 Hz 正弦加载 ±20 kN·m，考察测量链路动态响应与温漂；
- 典型载荷谱工况：按整车采集的转矩谱压缩加载，连续运行 4 小时，统计齿根应力幅值分布。
四、测试结果与分析
4.1 静强度结果
±30 kN·m 加载下，花键齿根测得最大轴向应变约 1850 µε（拉伸侧），对应齿根最大应力约 370 MPa（按弹性模量 200 GPa 换算）。3 个均布测点数据离散度小于 5%，验证了花键齿均载特性良好。
4.2 有限元对标
将实测应变结果与同工况下 ABAQUS 接触仿真进行对标。仿真在齿根测点位置的应变预测值与实测值偏差约 8%，方向一致；通过调整摩擦系数与接触刚度参数后偏差收敛至 4% 以内。试验数据有效修正了仿真模型，并反推出更准确的花键齿应力集中系数 Kσ。
4.3 疲劳寿命评估
基于载荷谱工况的应变-时间历程，采用雨流计数法统计应力幅值分布，结合修正后的 S-N 曲线（含应力集中系数、表面系数、尺寸系数修正）进行损伤计算。结果显示花键连接在目标寿命里程下的累积损伤比约 0.72，满足设计安全余量要求，但载荷谱中的高频小幅应力循环对寿命的影响不容忽视，建议对花键齿根滚压工艺做进一步强化。
五、项目结论与价值
- 实测数据验证了轮毂轴承花键连接的设计承载能力，为车型 SOR 冻结提供了试验依据；
- 试验对标修正了齿根应力集中系数，后续疲劳校核精度显著提升；
- 形成了完整的"应变片布设—同步采集—载荷谱统计—寿命评估"花键轴应变测试方法，可复用于传动半轴、驱动轴、转向节等类似传动件。
该项目是库恩传感在汽车传动领域应变测试服务的典型实践。如果您有类似的传动件应力测试、花键轴轴向应变采集或疲劳验证需求，欢迎与我们联系，我们可以基于您的零件状态和试验条件定制方案。