第三代輪轂軸承單元密封件的設(shè)計(jì)與性能驗(yàn)證

周旭，汪峰，邱寶象

(浙江萬(wàn)向精工有限公司，杭州 311202)

第三代輪轂軸承單元在結(jié)構(gòu)上集成了軸承座和凸緣，使得其在旋轉(zhuǎn)精度、可靠性、可裝配性、易維修性方面有了很大提高。由于汽車軸承耐久性和高可靠度的要求,所以避免出現(xiàn)滾道疲勞失效以外的失效也是第三代輪轂軸承單元設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)。密封件失效就是其中一種比較常見的失效形式，它會(huì)導(dǎo)致：(1)外界的泥沙、粉塵和水汽等污染物侵入軸承中，使軸承產(chǎn)生異響，加速溝道和鋼球的磨損，使鋼球、溝道表面出現(xiàn)疲勞剝落[1]；(2)內(nèi)部油脂向外側(cè)泄漏，造成潤(rùn)滑不良，影響產(chǎn)品壽命；(3)若油脂泄漏到制動(dòng)盤或制動(dòng)鼓上，會(huì)導(dǎo)致其制動(dòng)能力下降或失效，后果非常嚴(yán)重。可見第三代輪轂軸承單元要發(fā)揮其良好的性能，就需要不斷完善密封件的設(shè)計(jì)。

1 密封結(jié)構(gòu)要求

從第三代輪轂軸承單元的結(jié)構(gòu)(圖1)上分析，在不旋轉(zhuǎn)的外圈和旋轉(zhuǎn)的凸緣之間(圖中放大區(qū)域)需要設(shè)計(jì)一個(gè)密封件，密封件應(yīng)與鋼球保持一定的間隙，除了要阻止外界污染物進(jìn)入到軸承內(nèi)部，防止內(nèi)部油脂泄漏，同時(shí)也要避免過大的轉(zhuǎn)矩，以免造成過多的能量損耗。

圖1 第三代輪轂軸承單元結(jié)構(gòu)圖

2 密封件結(jié)構(gòu)及材料選擇

第三代輪轂軸承單元密封件由于結(jié)構(gòu)的限制和低成本的需要，一般將密封件設(shè)計(jì)為單片式，常見的結(jié)構(gòu)見表1。

表1 常見密封結(jié)構(gòu)

在選取密封結(jié)構(gòu)時(shí)，通常從防泥水性能、摩擦力矩和價(jià)格方面考慮。帶彈簧的密封件防泥水性能突出，但摩擦力矩較大，成本也比較高；帶側(cè)唇的密封件防泥水性能較好，摩擦力矩較帶彈簧的小，成本也較低，適合用在對(duì)密封要求不高的場(chǎng)合。另外，密封件主要由骨架和橡膠組成，有些結(jié)構(gòu)帶彈簧，骨架通常采用冷軋?zhí)妓劁摫“?，而橡膠可根據(jù)不同的需要進(jìn)行選擇，具體可參考表2。結(jié)合第三代輪轂軸承單元使用環(huán)境和成本因素考慮，目前常采用普通NBR。

表2 密封橡膠的性能[2]

3 密封件的設(shè)計(jì)和有限元模擬

由于密封件主要在旋轉(zhuǎn)件與靜止件之間起密封作用，以保證內(nèi)部良好的滾動(dòng)環(huán)境，在設(shè)計(jì)第三代輪轂軸承單元密封件時(shí)，需要設(shè)計(jì)骨架與外圈和密封唇與凸緣區(qū)域的配合。

以表1中第2種帶側(cè)唇的軸密封件為例，當(dāng)采用此密封件的結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)圖1的輪轂軸承單元時(shí)，即可以得到如圖2所示的設(shè)計(jì)圖。

1—骨架；2—橡膠突起；3—上側(cè)唇；4，6—腔；5—下側(cè)唇；7—徑向唇；8—凸緣；9—外圈

為保證密封件良好的密封效果，保證密封件在凸緣旋轉(zhuǎn)過程中不出現(xiàn)松動(dòng)，在設(shè)計(jì)骨架與外圈之間的配合時(shí)，應(yīng)保證其有足夠的過盈量，以產(chǎn)生足夠的摩擦力，避免出現(xiàn)密封件隨套圈轉(zhuǎn)動(dòng)或在使用中脫落的情況。其配合壓強(qiáng)p的近似計(jì)算式為[2]

(1)

式中：p為配合壓強(qiáng)；I為配合過盈量；D為密封件骨架外徑；D1為外圈配合密封件處外徑；D2為密封件處內(nèi)徑；ζ1為外圈的泊松比；E1為外圈的彈性模量；E2為骨架的彈性模量；ζ2為骨架的泊松比。

將配合壓強(qiáng)乘以配合面積就可以計(jì)算得到配合壓力，再乘以摩擦因數(shù)就可以得到脫出力。通常設(shè)計(jì)的配合過盈量最小為0.07 mm，配合寬度一般不小于2.5 mm。外圈的配合內(nèi)徑面通常采用磨加工，以保證密封件骨架與外圈緊密貼合，防止外部污物從骨架與外圈之間侵入。同時(shí)可以在骨架上設(shè)計(jì)一個(gè)橡膠突起，在密封件壓入外圈時(shí)使突起與外圈緊密貼合，進(jìn)一步避免污物的侵入。

在設(shè)計(jì)橡膠唇口和凸緣之間的配合時(shí)，要從密封件的基本功能入手，應(yīng)設(shè)有唇口，從圖2可以看出，徑向唇口主要起防油脂泄漏作用，而兩個(gè)側(cè)唇主要起防止外界污染物進(jìn)入的作用。由徑向唇和側(cè)唇形成兩個(gè)唇口腔，腔內(nèi)填充少量潤(rùn)滑脂，起潤(rùn)滑作用，防止唇口過快磨損。

密封作用必須在相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面之間實(shí)現(xiàn)，由于制造公差的存在，密封時(shí)肯定會(huì)遇到旋轉(zhuǎn)誤差的問題。旋轉(zhuǎn)誤差包括：偏心、橡膠唇口和凸緣密封直徑的圓度誤差。偏心是指密封件橡膠唇口內(nèi)圓與凸緣(軸)表面不同心[3]。凸緣旋轉(zhuǎn)時(shí)需克服旋轉(zhuǎn)誤差，始終保持足夠的貼合壓力，以防止出現(xiàn)流體可以通過的間隙。該貼合壓力是通過過盈配合使彈性橡膠發(fā)生變形而得到的。保持該壓力還取決于橡膠的彈性特性和唇口的截面形狀[2]。

作為汽車零部件通常都存在耐久性和環(huán)保的要求，在設(shè)計(jì)唇口壓力上需要著重考慮。若設(shè)計(jì)較大過盈量可以達(dá)到較好的密封性能，但由于壓力過大會(huì)導(dǎo)致唇口磨損加快，同時(shí)摩擦力矩也會(huì)較大。若設(shè)計(jì)的過盈量偏小，則會(huì)由于壓力過小無(wú)法保證在旋轉(zhuǎn)誤差的影響下不出現(xiàn)間隙，進(jìn)而可能導(dǎo)致油脂泄漏或污染物進(jìn)入，不能達(dá)到產(chǎn)品預(yù)期的設(shè)計(jì)壽命。所以對(duì)不同位置的唇口應(yīng)設(shè)計(jì)不同的過盈量?？梢酝ㄟ^有限元模擬，分析不同的唇口在不同過盈量下的應(yīng)力水平，以設(shè)計(jì)更加合理的配合。

通常設(shè)計(jì)無(wú)彈簧的徑向唇過盈量最小為0.3 mm，上側(cè)唇的過盈量為0.6 mm，下側(cè)唇的過盈量為0.5 mm。

另外凸緣上唇口接觸區(qū)域的表面粗糙度也需要嚴(yán)格控制，表面粗糙度過大可能會(huì)導(dǎo)致唇口過快磨損，同時(shí)考慮唇口與凸緣緊密貼合的需要，應(yīng)該避免凸緣表面出現(xiàn)螺旋紋，通常推薦表面粗糙度值Ra≤0.8 μm[3]。

4 密封性能驗(yàn)證

由于汽車需要全天候使用，所以通常需要對(duì)零部件進(jìn)行各種試驗(yàn)以滿足車輛使用要求。

考慮到密封件材料的特性，比如耐高溫和低溫等性能主要由材料決定，所以本例只通過泥漿鹽水噴濺試驗(yàn)來驗(yàn)證密封件的密封性能。

試驗(yàn)過程中需對(duì)輪轂單元施加載荷，并對(duì)密封部位噴濺泥漿鹽水，以模擬車輛在行駛過程中受到飛濺泥水侵蝕的場(chǎng)合，圖3為噴濺試驗(yàn)示意圖。

圖3 噴濺試驗(yàn)示意圖

在滾動(dòng)半徑上施加軸向力，在輪輞偏距上施加徑向力，在輪胎滾動(dòng)半徑上施加軸向力，并在密封件區(qū)域噴濺泥漿鹽水，軸向力和徑向力按下式[4]并結(jié)合車型參數(shù)計(jì)算得到

mayhg-mgβhg+FrB-0.5mgB=0,

(2)

Fa=Fray，

(3)

式中：m為整車質(zhì)量；g為重力加速度；ay為側(cè)向加速度；hg為重心高；β為側(cè)向坡道角；Fr為輪胎徑向力；B為輪間距；Fa為軸向力。

為驗(yàn)證密封件的耐磨和抗老化能力，試驗(yàn)時(shí)間通常在200 h以上，試驗(yàn)完成后對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行拆套，檢測(cè)油脂的含水率，判斷是否進(jìn)水，從而驗(yàn)證密封件是否合格。

5 結(jié)束語(yǔ)

介紹了幾種常用的密封件結(jié)構(gòu)和常用的橡膠材料，通過示例提出密封件的配合設(shè)計(jì)要求，給出了相關(guān)參數(shù)，并對(duì)密封件的試驗(yàn)進(jìn)行了介紹。