SKF二代卡車輪轂軸承單元技術(shù)發(fā)展動態(tài)

張利斌，金荃，郭濤，尤根·艾瑞克

(1.斯凱孚(上海)汽車技術(shù)有限公司，上海 201814; 2. 斯凱孚(中國)銷售有限公司，上海 201814；3.斯凱孚(德國)有限公司， 施維因富特 97421)

隨著我國基建、物流、交通等產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，運(yùn)輸行業(yè)競爭日趨激烈。同時(shí)，圍繞商用車電動化、物聯(lián)化、智能化、共享化的發(fā)展趨勢，對車輛的要求也越來越高。

輪轂軸承作為卡車車橋的核心零部件，其可靠性決定了整車的安全性。目前，關(guān)于輪轂軸承的研究大多針對乘用車輪轂軸承，卡車輪轂軸承的研究較少[1-2]。在此介紹SKF二代卡車輪轂軸承單元，展望其在助力中國商用車高端化方面的潛力，以更好滿足用戶需求。

1 卡車輪轂軸承單元發(fā)展歷程

傳統(tǒng)卡車輪轂軸承通常使用2套單列圓錐滾子軸承，如圖1所示，可以承受軸、徑向聯(lián)合載荷[3-5]。該輪轂軸承需在客戶端壓裝密封和注入潤滑油脂，且車橋裝配復(fù)雜，軸承最佳工作游隙難以實(shí)現(xiàn)，最終導(dǎo)致車橋性能差，維修周期短，運(yùn)行成本高。

圖1 傳統(tǒng)卡車輪轂軸承結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of traditional truck hub bearing

針對傳統(tǒng)輪轂軸承結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，根據(jù)歐洲市場應(yīng)用工況，SKF率先提出卡車輪轂軸承單元，發(fā)展主要經(jīng)歷了2代。國內(nèi)車橋使用的SKF輪轂軸承單元多為第一代，第二代主要在歐洲市場使用。

第一代卡車輪轂軸承單元可以應(yīng)用于驅(qū)動橋和非驅(qū)動橋，結(jié)構(gòu)如圖2所示。輪轂軸承單元出廠時(shí)預(yù)調(diào)游隙，密封與軸承集成化設(shè)計(jì)，易安裝，免維護(hù)，保證了軸承可靠運(yùn)轉(zhuǎn)所需的清潔度，提高了軸承使用壽命；但第一代輪轂軸承單元出廠時(shí)為正游隙，安裝后軸承可能處于正游隙或預(yù)緊狀態(tài)，無法保證軸承壽命最佳。

圖2 第一代卡車輪轂軸承單元Fig.2 First-generation truck hub bearing unit

第二代卡車輪轂軸承單元通常應(yīng)用于非驅(qū)動橋，結(jié)構(gòu)如圖3所示。輪轂和軸承外圈一體化設(shè)計(jì)，消除了其他零件對軸承游隙的影響，實(shí)現(xiàn)軸承出廠時(shí)即為最佳預(yù)緊狀態(tài)。第二代輪轂軸承單元無需壓裝，外圈通過螺栓與其他零件連接，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)ABS齒圈和輪轂軸承單元一體化設(shè)計(jì)，集成度更高，結(jié)構(gòu)緊湊。

圖3 第二代卡車輪轂軸承單元Fig.3 Second-generation truck hub bearing unit

2 卡車輪轂軸承發(fā)展趨勢

隨著國內(nèi)卡車車橋的升級換代以及高端化發(fā)展趨勢，對輪轂軸承提出了新的要求。國內(nèi)卡車輪轂軸承的發(fā)展趨勢主要集中在以下幾個方面：

1)長壽命。輪轂軸承作為車橋的核心零部件，其壽命決定了整橋的壽命。市場對于公路車尤其是牽引車車橋要求的免維護(hù)周期已從50×104km提升至150×104km。為了達(dá)到長壽命的要求，需消除可能降低軸承壽命的潛在因素，如游隙變化，潤滑脂污染，密封損壞等。

2)輕量化。為降低卡車油耗，提升車輛動力性能，車橋的輕量化越來越受到主機(jī)廠的關(guān)注。車橋輪端的輕量化除了部分零件材料輕量化外，對于軸承的要求更多的是結(jié)構(gòu)優(yōu)化。緊湊的輪轂軸承單元可減少與之配合的零件尺寸，從而降低整橋質(zhì)量。

3)低摩擦。隨著發(fā)動機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)的提高以及商用車電動化的趨勢，未來輪轂軸承在滿足長壽命要求外會更加注重低摩擦技術(shù)。通過優(yōu)化軸承內(nèi)部設(shè)計(jì)參數(shù)，開發(fā)低摩擦潤滑脂等，可實(shí)現(xiàn)低摩擦。

結(jié)合上述發(fā)展趨勢，卡車輪轂軸承單元將逐步取代傳統(tǒng)軸承方案，第二代卡車輪轂軸承單元在非驅(qū)動橋的應(yīng)用會越來越廣泛。下文將以SKF二代卡車輪轂軸承單元為例，分析其長壽命技術(shù)及結(jié)構(gòu)疲勞仿真分析與可靠性試驗(yàn)技術(shù)。

3 SKF二代卡車輪轂軸承單元長壽命技術(shù)

3.1 高載荷容量滾子組件設(shè)計(jì)

SKF二代卡車輪轂軸承單元應(yīng)用于非驅(qū)動車橋時(shí)，取消了輪轂設(shè)計(jì)，外圈通過凸緣螺紋與剎車盤和轉(zhuǎn)接盤連接，與第一代輪轂軸承單元相比，無需考慮運(yùn)轉(zhuǎn)過程中軸承外圈跑圈。同時(shí)，增大了徑向空間，可以選擇更大載荷容量的滾子組件，提高軸承壽命。

第一代輪轂軸承單元通常使用對稱滾子組件設(shè)計(jì)，第二代輪轂軸承單元可以設(shè)計(jì)成兩列不同載荷容量的滾子組件，優(yōu)化了軸承受載情況，軸承壽命提高。

相同公差等級的第一代和第二代卡車輪轂軸承單元，后者載荷容量提高了約30%，軸承壽命提高了2.5倍以上。

3.2 軸承游隙控制

卡車輪轂軸承壽命與工作游隙密切相關(guān)：游隙過大，受載滾子數(shù)減少，且滾子從非承載區(qū)進(jìn)入承載區(qū)時(shí)有可能出現(xiàn)擦傷，降低軸承壽命；游隙過小，滾子與滾道摩擦力矩增大，溫升高，可能會使軸承燒傷失效。

考慮到輪端系統(tǒng)剛性和軸承壽命要求，工作游隙范圍窄且為負(fù)游隙(預(yù)緊)時(shí)軸承工作狀態(tài)最佳。傳統(tǒng)卡車輪轂軸承由于調(diào)整難度大，通常處于正游隙狀態(tài)，第一代輪轂軸承單元與輪轂配合復(fù)雜，預(yù)緊控制困難。SKF二代輪轂軸承單元消除了外圈與輪轂配合誤差的影響，通過控制內(nèi)外圈磨削和采用選配技術(shù)，可以有效減小軸承游隙范圍，確保軸承工作狀態(tài)最佳，從而提高軸承壽命。

傳統(tǒng)輪轂軸承均為正游隙狀態(tài)，游隙約為 0.15 mm，第一代輪轂軸承單元游隙可以控制在-0.20～+0.05 mm，第二代輪轂軸承單元游隙可以控制在-0.10～0 mm。

3.3 軸承滾道輪廓修形

卡車運(yùn)行工況惡劣，輪轂軸承受載時(shí)滾道變形，接觸區(qū)會出現(xiàn)邊緣應(yīng)力集中現(xiàn)象[6]，引起軸承早期失效。滾道輪廓采用圓弧修形可以在一定程度上減緩局部高應(yīng)力(圖4)，但無法從根本上消除。SKF二代輪轂軸承單元內(nèi)圈滾道和滾子均采用對數(shù)修形，可以完全消除邊緣應(yīng)力(圖5)，軸承在重載或偏載時(shí)滾子和滾道接觸區(qū)應(yīng)力分布均勻，提高了軸承壽命。

圖4 圓弧修形內(nèi)圈滾道接觸應(yīng)力Fig.4 Inner ring raceway contact pressure for crowned profile

圖5 對數(shù)修形內(nèi)圈滾道接觸應(yīng)力Fig.5 Inner ring raceway contact pressure for logarithmic profile

3.4 小結(jié)

SKF二代輪轂軸承單元通過設(shè)計(jì)高載荷容量滾子組件，控制軸承游隙，滾子和滾道輪廓采用對數(shù)修形技術(shù)，軸承設(shè)計(jì)壽命達(dá)到300×104km，滿足了長壽命需求。

4 SKF二代卡車輪轂軸承結(jié)構(gòu)疲勞仿真與可靠性試驗(yàn)技術(shù)

4.1 結(jié)構(gòu)疲勞仿真技術(shù)

SKF二代卡車輪轂軸承外圈材料為中碳鋼，滾道表面采用感應(yīng)淬火，既能保證軸承滾動接觸疲勞強(qiáng)度和耐磨性，又能使外圈具有一定韌性，抗沖擊能力強(qiáng)。SKF二代輪轂軸承外圈旋轉(zhuǎn)時(shí)凸緣部位承受彎曲載荷，存在疲勞斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，影響車輛運(yùn)行安全，需建立有限元模型和輸入合適邊界條件計(jì)算外圈疲勞應(yīng)力并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

基于ANSYS軟件，建模時(shí)僅保留外圈，其他零件如轉(zhuǎn)接盤、螺栓、剎車盤、輪輞及車輪螺栓等模型均需與實(shí)際保持一致，如圖6所示。分析時(shí)將輪輞固定，沿外圈滾道整周施加滾子載荷(滾子載荷通過SKF內(nèi)部專業(yè)軟件根據(jù)車輛參數(shù)和工況計(jì)算)，如圖7所示。轉(zhuǎn)接盤螺栓和車輪螺栓預(yù)緊力也需輸入計(jì)算模型，計(jì)算可得外圈凸緣、圓柱及螺栓孔等部位結(jié)構(gòu)應(yīng)力，如圖8所示。

圖6 SKF二代輪轂軸承單元有限元模型Fig.6 Finite element model of SKF second-generation hub bearing unit

圖7 加載示意圖Fig.7 Loading diagram

圖8 SKF二代輪轂軸承單元應(yīng)力云圖Fig.8 Stress nephogram of SKF second-generation hub bearing unit

SKF經(jīng)過多年探索并結(jié)合市場數(shù)據(jù)，建立了一整套二代卡車輪轂軸承外圈結(jié)構(gòu)應(yīng)力接受準(zhǔn)則。若解析結(jié)果不滿足要求，外圈結(jié)構(gòu)需進(jìn)一步優(yōu)化，同時(shí)，解析結(jié)果可為軸承外圈滾道輪廓修形提供參考。

4.2 結(jié)構(gòu)疲勞可靠性試驗(yàn)

傳統(tǒng)卡車輪轂軸承或第一代輪轂軸承單元需要與鑄造輪轂配合使用，輪轂材質(zhì)為球墨鑄鐵?？蛻敉ǔH完成輪轂與軸承壓裝，未對輪轂進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。

SKF結(jié)合內(nèi)部臺架設(shè)計(jì)，針對不同噸位的卡車轉(zhuǎn)向前橋制定了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)疲勞可靠性試驗(yàn)載荷譜：當(dāng)額定軸荷小于5 t時(shí)，最大試驗(yàn)載荷應(yīng)不超過0.65g(g取9.8 m/s2,下同)；當(dāng)額定軸荷為5～10 t時(shí)，最大試驗(yàn)載荷應(yīng)不超過0.5g。通過強(qiáng)化試驗(yàn)測試SKF二代輪轂軸承是否發(fā)生結(jié)構(gòu)疲勞失效。

4.3 小結(jié)

通過結(jié)構(gòu)疲勞仿真分析與可靠性試驗(yàn)技術(shù)，可以確保SKF二代卡車輪轂軸承單元的設(shè)計(jì)可靠性。產(chǎn)品可靠性除了考慮更高安全系數(shù)的冗余設(shè)計(jì)外，還要考慮如何裝配和使用[4]。與第一代卡車輪轂軸承單元相比，第二代輪轂軸承單元車橋在剎車系統(tǒng)定期維護(hù)時(shí)無需拆卸軸承。連接螺栓拆除后剎車盤可直接脫出，也在一定程度上提高了整個輪端系統(tǒng)的使用可靠性。

5 展望

SKF二代卡車輪轂軸承單元還將從以下方面加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)，助力中國商用車行業(yè)高端化：

1)輪輞直連二代輪轂軸承單元(圖9)。SKF二代卡車輪轂軸承單元外圈的凸緣設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)輪轂軸承與剎車盤和輪輞直接連接提供了可能，提出了輪輞直連二代輪轂軸承單元設(shè)計(jì)概念。該設(shè)計(jì)將使卡車輪端系統(tǒng)具有與乘用車相同的特點(diǎn)，大幅降低整橋質(zhì)量，增加轉(zhuǎn)向靈活性，提升車輛動力性能。

2)低摩擦二代輪轂軸承單元。在保證軸承壽命的同時(shí)，通過優(yōu)化內(nèi)圈結(jié)構(gòu)，減少滾子數(shù)量，改善內(nèi)圈擋邊與滾子接觸點(diǎn)位置，提高滾子、內(nèi)外圈滾道和內(nèi)圈擋邊加工精度等方式降低軸承摩擦力矩。除此之外，改進(jìn)密封唇口設(shè)計(jì)，適當(dāng)降低徑向主唇口抱緊力，降低潤滑脂基礎(chǔ)油黏度等，也可以降低卡車輪轂軸承單元摩擦力矩。

圖9 輪輞直連二代卡車輪轂軸承設(shè)計(jì)概念Fig.9 Design concept of second-generation hub bearing for truck with direct rim connection

對于新能源卡車，輪轂軸承摩擦力矩需進(jìn)一步降低?？紤]軸承長壽命的設(shè)計(jì)要求，未來二代卡車輪轂軸承降低摩擦力矩的重點(diǎn)在于密封。通過密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)，有可能進(jìn)一步降低摩擦力矩。

3)智能二代輪轂軸承單元?，F(xiàn)有SKF二代卡車輪轂單元集成了ABS齒圈，可以采集車速信號，確保車輛行駛安全。未來將搭載狀態(tài)監(jiān)測傳感系統(tǒng)和故障診斷預(yù)警系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)采集軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的狀態(tài)信息(載荷、力矩、振動、溫度等)為自動駕駛技術(shù)提供技術(shù)支持，同時(shí)預(yù)防事故的發(fā)生。

4)驅(qū)動橋二代輪轂軸承單元。隨機(jī)動車安全技術(shù)法規(guī)的實(shí)施，盤式制動器應(yīng)用越來越多， SKF二代卡車輪轂軸承應(yīng)用于盤式制動的優(yōu)勢將進(jìn)一步體現(xiàn)。適用于驅(qū)動橋的二代卡車輪轂軸承單元，可將其應(yīng)用的車橋額定軸荷提升至13 t以上。