淺談汽車輪轂軸承的設(shè)計(jì)

林偉雄

東風(fēng)柳州汽車有限公司 廣西柳州市 545005

1 引言

輪轂軸承作為汽車的關(guān)鍵零部件之一，承載著整車重量的同時(shí)也為鋼圈的轉(zhuǎn)動(dòng)提供精確的引導(dǎo)。受汽車工業(yè)低能耗、高速、輕量化發(fā)展趨勢(shì)的影響，輪轂軸承的設(shè)計(jì)也逐漸必須滿足重載、輕量化、高可靠性、高精度等要求。目前，輪轂軸承已經(jīng)由傳統(tǒng)的組合式輪轂軸承發(fā)展為第三代輪轂軸承單元，第四代的輪轂軸承單元也已處于研發(fā)適用階段。本文將以三代輪轂軸承為例，簡(jiǎn)要介紹汽車輪轂軸承的一般設(shè)計(jì)過程。

2 三代輪轂軸承的結(jié)構(gòu)

三代輪轂軸承一般由內(nèi)外法蘭、鋼球、鋼球保持架、密封圈、ABS感應(yīng)齒圈、傳感器座及車輪螺栓等組成。出于成本因素考慮，自主汽車前輪一般采用一代輪轂軸承，三代輪轂軸承單元主要用在汽車后輪上；而合資企業(yè)則多采用前三后三或者前三后二。如上汽通用的君威、君越前后均采用三代輪轂軸承單元，而上汽大眾及一汽大眾則多采用前三后二模式，如途觀、途安、帕薩特、高爾夫、邁騰、新速騰等。

3 三代輪轂軸承的設(shè)計(jì)

3.1 輪轂軸承的材料

輪轂軸承使用的主要鋼鐵材料為鉻鋼，在國(guó)標(biāo)中為GCr15，日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS中又叫SUJ2，德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)會(huì)DIN中為100Cr6。該種材料碳、鉻的含量高，淬火特性好，淬火硬度能達(dá)到HV750以上，是高鉻軸承鋼的代表鋼種，占軸承鋼用量的90%左右。輪轂軸承中主要的塑料件為保持架，一般多采用PA66、PA46及PPS。這幾種材料都具有耐高溫、耐沖擊、耐磨性及高抗張強(qiáng)度等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、儀器殼體等抗沖擊性和強(qiáng)度要求高的產(chǎn)品中。

3.2 輪轂軸承的設(shè)計(jì)流程

圖1展示了三代輪轂軸承的一般開發(fā)設(shè)計(jì)過程。首先根據(jù)項(xiàng)目開發(fā)的車型信息初步得到輪轂軸承基本尺寸、目標(biāo)重量、密封圈等的基本要求。然后開始輪轂軸承的選型，確定軸承的形式及尺寸，并根據(jù)車輛參數(shù)進(jìn)行軸承的理論計(jì)算分析，確定軸承詳細(xì)設(shè)計(jì)方案。最后生產(chǎn)工裝樣件，并根據(jù)相應(yīng)的試驗(yàn)程序進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)通過后才能批量生產(chǎn)。

圖1 輪轂軸承設(shè)計(jì)過程

3.2 輪轂軸承的計(jì)算

在輪轂軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算過程中，主要的計(jì)算為軸承的載荷計(jì)算、壽命計(jì)算、強(qiáng)度剛度計(jì)算。

3.2.1 輪轂軸承的載荷計(jì)算

一般情況下，輪轂軸承單元通過車輪螺栓安裝到剎車盤和車輪上，輪轂軸承帶凸緣的外圈用螺栓固定在懸架系統(tǒng)上。輪轂軸承的外部載荷通過車輪施加在軸承上，即在汽車實(shí)際行駛過程中，路面對(duì)車輪的徑向、軸向載荷間接作用在了輪轂軸承上。因此，可以認(rèn)為輪轂軸承的外部載荷等效于車輪的外部載荷。汽車在行駛過程中，軸向和徑向載荷間接作用于輪轂軸承單元，其作用點(diǎn)位于車輪接地點(diǎn)，作用距離為輪胎的滾動(dòng)半徑。

式中：

FY-徑向載荷，方向垂直于地面向上；FX-軸向載荷，式中負(fù)號(hào)表示由輪胎外側(cè)指向內(nèi)側(cè)；W-滿載時(shí)前軸質(zhì)量，g為重力加速度，取9.8N/kg； H-車輛質(zhì)心高度；T-前軸輪距；ag-轉(zhuǎn)彎加速度；e-輪轂偏移量；

3.2.2 輪轂軸承的壽命計(jì)算

現(xiàn)在國(guó)內(nèi)比較常見的壽命計(jì)算均采用FAG的標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)路譜（詳情見圖2），最大的側(cè)向加速度為0.6g，對(duì)汽車在直行及轉(zhuǎn)彎等工況下承受不同的沖擊及不同的側(cè)向加速度來考量軸承的循環(huán)壽命，一般要求計(jì)算的理論壽命大于30萬公里。

每一個(gè)循環(huán)的壽命計(jì)算：

p：指數(shù)，球軸承p=3，

每一列的壽命計(jì)算，

系統(tǒng)的壽命計(jì)算：

其中：

e：指數(shù)；球軸承 e=10/9；滾子軸承e=9/8

3.2.3 剛度計(jì)算

輪轂軸承計(jì)算中的剛度一般指軸承的角剛度。角剛度用力矩剛性來描述，力矩剛性為輪轂軸承的相對(duì)傾斜角，其原理如圖3所示。測(cè)量圖中C1、C2、D1、D2四點(diǎn)軸向位移，并計(jì)算其軸向位移之差以及距離，得到各載荷下的輪轂軸承單元傾斜角。

計(jì)算公式如下：

3.2.4 強(qiáng)度計(jì)算

圖3

輪轂軸承單元受力最大的情況一般出現(xiàn)在汽車轉(zhuǎn)彎的過程中，因?yàn)檗D(zhuǎn)彎時(shí)，輪轂軸承單元不僅承受徑向車輪載荷和軸向車輪載荷，同時(shí)還承受由軸向車輪載荷產(chǎn)生的力矩作用，而且隨著轉(zhuǎn)彎加速度的增加受力程度越大。通過對(duì)輪轂軸承單元在不同轉(zhuǎn)彎加速度（0.4g-2.0g）下的最大等效應(yīng)力分析可以發(fā)現(xiàn)，隨著轉(zhuǎn)彎加速度的增大，最大等效應(yīng)力也越來越大，固通常輪轂軸承的強(qiáng)度分析只需對(duì)2.0g轉(zhuǎn)彎加速度下的軸承強(qiáng)度分析即可。

4 輪轂軸承試驗(yàn)

在輪轂軸承量產(chǎn)前，一般還必須對(duì)輪轂軸承進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，不同的開發(fā)車型對(duì)輪轂軸承的臺(tái)架試驗(yàn)要求也不一樣，其中三代輪轂軸承常見的臺(tái)架試驗(yàn)有16項(xiàng)，包括螺栓打滑力矩試驗(yàn)、齒圈脫出力試驗(yàn)、旋轉(zhuǎn)力矩試驗(yàn)、泥漿噴濺試驗(yàn)、漏脂試驗(yàn)、防塵試驗(yàn)、一般耐久試驗(yàn)、高溫耐久試驗(yàn)、低溫耐久試驗(yàn)、旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)、微動(dòng)磨損試驗(yàn)、靜強(qiáng)度試驗(yàn)、剛性試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、鋼球壓碎試驗(yàn)、鹽霧試驗(yàn)等。

5 結(jié)語

圖2 循環(huán)路譜

本文通過對(duì)汽車輪轂軸承單元開發(fā)過程中的選型、壽命計(jì)算、強(qiáng)度剛度分析及臺(tái)架試驗(yàn)等基本介紹，旨在進(jìn)一步提升輪轂軸承的設(shè)計(jì)質(zhì)量，為整車開發(fā)提供支持。