汽車輪轂軸承結(jié)構(gòu)型式選取及壽命影響因素

高秀榮

（中國第一汽車股份有限公司天津技術(shù)開發(fā)分公司）

汽車輪轂軸承承受著地面給車輪的徑向和軸向載荷，是保證汽車安全、平穩(wěn)與可靠行駛的重要安全部件。如何保證選取的汽車輪轂軸承能夠滿足汽車運(yùn)轉(zhuǎn)要求并具有長壽命，需要設(shè)計(jì)者充分掌握輪轂軸承的結(jié)構(gòu)型式、特點(diǎn)、壽命計(jì)算及壽命的影響因素，合理選取軸承的結(jié)構(gòu)型式和型號（大小）并正確設(shè)計(jì)軸承的配合和安裝等。因此，文章對轎車輪轂軸承的結(jié)構(gòu)型式、特點(diǎn)、壽命計(jì)算及影響壽命的因素進(jìn)行了相關(guān)介紹。

1 輪轂軸承的結(jié)構(gòu)型式應(yīng)用特點(diǎn)

1.1 零代輪轂軸承

早期應(yīng)用于轎車的零代輪轂軸承通常有深溝球軸承和單列圓錐滾子軸承，如圖1所示。在一側(cè)橋軸上布置大小不一的內(nèi)外2個軸承，如圖2所示。

圖1 零代輪轂軸承結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 零代輪轂軸承在橋軸中的應(yīng)用示意圖

深溝球軸承承受側(cè)向力能力差，由隔套軸向尺寸精度控制軸承游隙，可用于較輕的車輛（軸荷低于500 kg），早期應(yīng)用于輕微型轎車；圓錐滾子軸承承載能力強(qiáng)，早期也廣泛應(yīng)用于乘用車，但按上述布置應(yīng)用于橋軸，兩圓錐滾子軸承需主機(jī)廠精準(zhǔn)地調(diào)整緊固螺母的擰緊力矩來控制軸承間隙，加之乘用車車速較高，一旦軸承間隙調(diào)整不當(dāng)，會導(dǎo)致斷軸和掉輪等危險(xiǎn)，因此在轎車上應(yīng)用越來越少，現(xiàn)兩單列布置的圓錐滾子軸承主要應(yīng)用于卡車。

1.2 一代輪轂軸承

較廣泛應(yīng)用于乘用車的一代輪轂軸承包括雙列角接觸球軸承和雙列圓錐滾子軸承，如圖3所示。雙列角接觸球軸承在橋軸上的應(yīng)用，如圖4所示；雙列圓錐滾子軸承在橋軸上的應(yīng)用，如圖5所示。

圖3 一代輪轂軸承結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 雙列角接觸球軸承應(yīng)用示意圖

圖5 雙列圓錐滾子軸承應(yīng)用示意圖

一代輪轂軸承比零代軸承結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、自密封無需主機(jī)廠注脂、螺母直接緊固無需調(diào)整、使用更可靠。

1.3 二代輪轂軸承

廣泛應(yīng)用于乘用車的二代輪轂軸承包括雙列角接觸球式二代軸承及雙列圓錐滾子式二代軸承，如圖6所示。雙列角接觸球式二代軸承在橋軸上的應(yīng)用，如圖7所示；雙列圓錐滾子式二代軸承在橋軸上的應(yīng)用，如圖8所示。

圖6 二代輪轂軸承結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 雙列角接觸球式二代軸承應(yīng)用示意圖

圖8 雙列圓錐滾子式二代軸承應(yīng)用示意圖

二代輪轂軸承是輪轂與軸承外圈一體，比一代軸承結(jié)構(gòu)更緊湊輕巧，使用壽命也比一代軸承受主機(jī)廠裝配的影響因素更小，更可靠。

1.4 三代輪轂軸承

三代輪轂軸承單元可分為從動輪用三代輪轂軸承（如圖9所示）和主動輪用三代輪轂軸承（如圖10所示）。三代輪轂軸承在橋軸上的應(yīng)用，如圖11所示。

圖10 主動輪用三代軸承結(jié)構(gòu)示意圖

圖11 三代輪轂軸承在橋軸上的應(yīng)用示意圖

三代輪轂軸承橋軸（或輪轂軸）與軸承的一側(cè)內(nèi)圈一體，帶法蘭的外圈與支架通過螺栓連接，比二代軸承結(jié)構(gòu)更緊湊輕巧，使用壽命與主機(jī)廠裝配基本無關(guān)，更可靠。

1.5 四代輪轂軸承

四代輪轂軸承結(jié)構(gòu)，如圖12所示，應(yīng)用于驅(qū)動輪，比三代軸承結(jié)構(gòu)更緊湊和更輕量化，剛性的調(diào)整成為可能，但現(xiàn)在國內(nèi)暫不具備生產(chǎn)能力。

圖12 四代輪轂軸承結(jié)構(gòu)示意圖

2 輪轂軸承結(jié)構(gòu)型式的選取

輪轂軸承的性能對比，如表1所示，其優(yōu)劣順序?yàn)椤睢睢睢睿尽睢睢睿尽睢睿尽睢Ｔ瓌t上在結(jié)構(gòu)允許的情況下，盡量選用表1中各項(xiàng)性能高的軸承，但還要綜合考慮供貨資源、空間結(jié)構(gòu)、安裝要求及ABS布置等具體問題，現(xiàn)四代輪轂軸承在國內(nèi)生產(chǎn)能力欠缺。

表1 輪轂軸承性能對比

3 輪轂軸承的理論壽命計(jì)算

選定軸承結(jié)構(gòu)型式后，根據(jù)壽命計(jì)算結(jié)果確定軸承型號。計(jì)算輪轂軸承壽命時，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時的負(fù)荷為路面施加于車輪的反作用力（包括徑向負(fù)荷及軸向負(fù)荷），一個輪轂軸承是由2列軸承組成的軸承單元，計(jì)算軸承壽命時將外側(cè)和內(nèi)側(cè)的軸承分別計(jì)算，然后取數(shù)值小的為輪轂軸承的壽命，軸承壽命計(jì)算過程如下。

1）整車計(jì)算用參數(shù)，如圖13所示。圖13中：W為滿載時前輪或后輪的軸荷（徑向載荷），N；T為前輪或后輪的輪距，mm；H為質(zhì)心高，mm；Rs為輪胎滾動半徑，mm；S為車輪中心與軸承中心的距離，mm。

圖13 整車參數(shù)及受力分析示意圖

2）軸承的受力分析計(jì)算。軸承的受力分析示意圖，如圖14所示。圖14中，a為輪胎中心距外側(cè)軸承作用點(diǎn)的距離，mm；b為輪胎中心距內(nèi)側(cè)軸承作用點(diǎn)的距離，mm；Wr為單側(cè)車輪徑向力，N；Wt為單側(cè)車輪側(cè)向力（軸向力，作用于車輪著地點(diǎn)），N。

圖14 軸承受力分析示意圖

式中：fw，μ——徑向、側(cè)向載荷系數(shù)。

3）作用于內(nèi)側(cè)軸承及外側(cè)軸承的載荷。

軸承的外部軸向力：Fa=Wt

4）等價徑向載荷。

式中：Xi，Yi——內(nèi)側(cè)軸承徑向、軸向系數(shù)；

Xo，Yo——外側(cè)軸承徑向、軸向系數(shù)；

Pri，Pro——內(nèi)外側(cè)軸承等價徑向載荷，N。

5）平均等價徑向載荷。

式中：Aj——汽車在各種道路工況的行駛比率，Aj的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，如表2所示。

表2 汽車在各種道路工況的行駛比率經(jīng)驗(yàn)值

6）軸承壽命計(jì)算[1]。

式中：Cr——單列軸承的基本額定動負(fù)荷，N；

p——常數(shù)（滾珠軸承為3，滾子軸承為10/3）。

7）軸承計(jì)算壽命的評定。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，內(nèi)側(cè)軸承壽命：Li＞100 000 km；外側(cè)軸承壽命：Lo＞100 000 km。

4 輪轂軸承實(shí)際使用壽命的主要影響因素

第3節(jié)軸承計(jì)算壽命為理論計(jì)算值，計(jì)算中所用的軸承額定動負(fù)荷（Cr）是根據(jù)軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算得到的，是所有與軸承壽命有關(guān)的因素都處于理想狀態(tài)，如軸承材料、熱處理、油封、油脂、軸承制造、游隙、配合件精度及裝配等，都滿足設(shè)計(jì)要求的理想狀態(tài)。其中游隙、配合件精度及裝配與主機(jī)廠設(shè)計(jì)生產(chǎn)相關(guān)，所以在此僅論述這三者對軸承使用壽命的影響。

4.1 輪轂軸承游隙對壽命的影響

4.1.1 工作游隙

輪轂軸承壽命與軸承工作游隙有直接的關(guān)系，輪轂軸承的工作游隙為：

式中：S——工作游隙，μm；

S0——理論游隙，指內(nèi)圈或外圈其中一個固定，使另一個移動時的移動量，分為徑向和軸向游隙，兩者有幾何關(guān)系，通常給出軸向游隙，其檢測按文獻(xiàn)[2]執(zhí)行，μm；

Sf——配合產(chǎn)生的游隙減少量，為內(nèi)圈滾道直徑的膨脹量與外圈滾道直徑的收縮量之和，μm；

Sn——螺母緊固產(chǎn)生的游隙減少量，μm；

St1——內(nèi)圈與外圈的溫差產(chǎn)生的游隙減少量，μm；

St2——滾動體的溫升產(chǎn)生的游隙減少量，μm；

Sw——負(fù)荷產(chǎn)生的游隙增加量，μm。

4.1.2 輪轂軸承壽命與工作游隙的關(guān)系

輪轂軸承壽命與工作游隙的關(guān)系，如圖15所示。從圖15中可以看出，當(dāng)工作游隙為微負(fù)值時，軸承的壽命最長，但隨著負(fù)游隙的增大，疲勞壽命則顯著下降。

圖15 軸承壽命與工作游隙的關(guān)系示意圖

4.1.3 相關(guān)部件的配合和理論游隙的設(shè)定原則

對于一代軸承：S0為正值，靠內(nèi)外圈與配合件的過盈配合、兩內(nèi)圈的鎖母緊固力來實(shí)現(xiàn)負(fù)游隙工作。

對于二代軸承：S0可為正值或微負(fù)到微正。前者靠內(nèi)圈與軸的過盈配合及兩內(nèi)圈的鎖母緊固力來實(shí)現(xiàn)負(fù)游隙工作；后者通常是靠內(nèi)圈與軸間隙配合、兩內(nèi)圈的鎖母緊固力來實(shí)現(xiàn)負(fù)游隙工作。

對于三代軸承：驅(qū)動輪、需螺母緊固的，通常S0微負(fù)，再通過內(nèi)圈的鎖母緊固力來實(shí)現(xiàn)負(fù)游隙工作；驅(qū)動輪、軸承內(nèi)圈旋鉚結(jié)構(gòu)，S0為負(fù)；從動輪，S0為負(fù)，工作游隙因運(yùn)動過程中溫升和載荷變化而略有減小。

對于四代軸承：S0為負(fù)，工作游隙僅因運(yùn)動過程中溫升、載荷變化略有減小。

負(fù)游隙大，則整體剛性好，旋轉(zhuǎn)噪聲及振動小，但溫升高、旋轉(zhuǎn)力矩大。三、四代軸承的預(yù)壓（即理論游隙）由軸承專業(yè)廠控制，因此可靠性更好，實(shí)際使用壽命更易保證；而對于一、二代軸承，特別是一代軸承，需要與配合件壓裝，螺母緊固，影響游隙的因素較多，需與軸承專業(yè)廠共同確定，后期通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

4.2 配合件精度對軸承壽命的影響

以一代軸承為例進(jìn)行分析說明。圖16示出一代軸承配合件精度說明圖。部件設(shè)計(jì)時必須遵照軸承（圖16中1～5項(xiàng)）所要求的精度設(shè)計(jì)，如果有一項(xiàng)不滿足要求，就會導(dǎo)致軸承的內(nèi)外圈中心軸線不重合，滾動體就會壓在軸肩上（偏離真正的滾道），甚至保持架的凹槽也會產(chǎn)生磨損，造成軸承的早期損壞，壽命大大降低。

圖16 一代軸承配合件精度說明圖

4.3 裝配對軸承壽命的影響

1）一、二代軸承需與配合件裝配或壓裝，壓裝中要確保內(nèi)外圈垂直壓裝，滾動體不受力，否則，會造成滾動體損傷，軸承的使用壽命大大降低；

2）在整車裝配過程中，圖16中的驅(qū)動軸鎖母必須按規(guī)定扭矩緊固，且必須在完全緊固的情況下，車輪才可著地，整車方可移動，否則會造成軸承的早期損壞；

3）因?yàn)檩S承是高精度制造的部件，野蠻裝配及強(qiáng)力的敲擊會使軸承滾道及滾動體產(chǎn)生壓痕和劃痕等缺陷，造成軸承的早期損壞，因此設(shè)計(jì)時要提出精準(zhǔn)要求，生產(chǎn)中嚴(yán)格遵照設(shè)計(jì)要求操作。

5 結(jié)論

文章論述的轎車輪轂軸承的選取原則，是在大量的設(shè)計(jì)及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上總結(jié)出來的，可為從事相關(guān)設(shè)計(jì)的人員提供參考依據(jù)。文章給出了轎車輪轂軸承壽命的計(jì)算方法，從事整車設(shè)計(jì)的人員可據(jù)此選取大小合適的軸承，另外此計(jì)算方法可擴(kuò)展到汽車用其他部位的軸承，如變速箱用軸承，僅承受的載荷計(jì)算不同。文章還簡要論述了軸承壽命的影響因素，可指導(dǎo)整車設(shè)計(jì)及總裝人員的部件設(shè)計(jì)及工裝設(shè)計(jì)。但文章未對軸承自身設(shè)計(jì)對軸承壽命的影響做深入探討。