汽車輪轂單列圓錐滾子軸承的優化設計研究

焦紅蘭

摘 要：汽車輪轂軸承多數采用的雙列復合軸承和單列圓錐滾子軸承，雙列復合軸承常用于小型汽車，免維護，結構略復雜，成本較高；卡車和大型客車普遍選用兩只單列圓錐滾子軸承。除了軸承的制造加工過程、材料選用、潤滑油的選用、使用工況等因素對軸承使用壽命有很大的影響外，軸承的前期結構參數設計同樣不可忽略，軸承是承受運動負荷的零件。只有合理的匹配設計，才能具備高壽命的軸承。本文重點研究單列圓錐滾子軸承設計過程中的要點以及軸承在使用工況下的接觸性能分析。

關鍵詞：輪轂軸承 圓錐滾子 軸承 匹配設計

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（a）-0109-02

汽車輪轂圓錐滾子軸承安裝在汽車輪邊輪轂內側，支撐在半軸套管上。一般單輪邊采用2只，背靠式的組合。潤滑方式通常為潤滑脂形式，輪轂兩端安裝油封密封。近些年的售后失效故障也頻發，主要故障表現有：點蝕、磨損、小擋邊斷裂等，原因不僅有潤滑脂選擇不當、油封密封不嚴造成軸承運轉過程過熱、材料選擇問題等等，而且有一部分原因體現在產品選型和設計開發過程中的問題，如為追求動載荷過大，滾子數量選擇過多；大小擋邊結構設計不合理等，本文重點介紹單列圓錐滾子軸承在設計過程中的一些步驟及注意事項。

1 單列圓錐滾子軸承幾何形狀和結構特點

圓錐滾子軸承主要由內圈、外圈、滾子以及保持架組成，幾何形狀見圖1。圓錐滾子軸承有以下特點。

（1）圓錐滾子的內圈滾道、外圈滾道以及滾子的母線沿長線應與旋轉軸線相交一點，便于滾子沿著滾道的每點作純滾動運動。

（2）圓錐滾子軸承的內外圈滾道是有傾斜角的，使軸承具備了承受軸向載荷和徑向載荷的能力。外滾道和中心線角度大小與承受軸向載荷和徑向載荷的能力有著密切的關系，內外圈的滾道與滾子之間的線接觸使其具備很高的承載能力。這個特點在很多的場合得到了應用，尤其汽車車橋，如：汽車輪轂軸承、主減速器軸承、差速器軸承等。內外圈滾道和滾子的錐度不僅保證了滾子純滾動，而且會在運轉中將滾子推向內圈滾道的大擋邊，對滾子進行引導，確保滾子受內圈大擋邊的定位作用。

（3）對于確定了設計參數的圓錐滾子軸承，外圈、內圈和滾子組合件可以在同型號規格軸承的外圈或內圈和滾子的組合件實現互換，便于汽車生產的批量裝配。

（4）圓錐滾子軸承的外圈和內圈是可分離的，在汽車生產線裝配和售后維修保養過程中，拆卸非常方便。

（5）可根據實際裝配結構特點，對圓錐滾子軸承施加合適的載荷，以便對游隙大小的調節，游隙調節比較方便。

圓錐滾子軸承具備了很多特點，應用很廣泛。主要應用于機床、鐵路、汽車等行業，如汽車主減速器軸承、差速器軸承、汽車輪轂軸承等。

2 單列圓錐滾子軸承的基本設計步驟

圓錐滾子軸承實際應用中，滾子與內外圈的滾道持續的接觸，為滿足使用命，內圈、外圈、滾子和保持架四個零件都需有一定的強度。滾子數量增多，會提高額定動載荷，但會影響保持架一些部位變窄，導致保持架強度不夠而失效；由于內圈和軸的配合多數采用的過盈配合，在裝配過程中，小擋邊也能夠承受輕微的敲打，滾子長度增大，會存在小擋邊斷裂的風險，發生早期破損；在主參數內徑、外徑、裝配高確定后，滾動體增大，會使內外圈的壁厚變薄，強度不夠，影響使用壽命。所以合理地選擇圓錐滾子軸承的主參數和結構設計參數是軸承在前期設計過程中尤為重要，對圓錐滾子軸承最終的性能、承載能力、壽命等影響很大。在結構合理的原則下，獲得較高的基本額定靜載荷和基本額定動載荷，是軸承產品設計中的主要任務。在進行設計時，設計分析和計算的步驟如下。

（1）了解軸承使用工況，如：軸承轉速、載荷大小和受力、潤滑方式等使用工況進行合理分析。

（2）選擇適合使用工況的軸承結構型式。

（3）確定軸承的內徑、外徑、裝配高度、內圈寬度、外圈寬度、外圈滾道小端直徑、接觸角、與汽車輪轂配合的外圈倒角，與軸配合的內圈倒角等外形尺寸。

（4）確定滾子直徑、滾子母線有效長度、滾子數量、內圈大擋邊厚度、滾子的半錐角、小擋邊厚度等主參數尺寸。

（5）根據外形尺寸和主參數尺寸，繪制出產品布置圖紙。

（6）判斷軸承結構是否合理及計算基本額定靜動載荷。

（7）根據確定的圓錐滾子軸承的主參數，對軸承壽命進行估算，以滿足軸承的使用壽命要求。

（8）完成圓錐滾子軸承大擋邊形狀、內圈油溝槽等結構的設計參數計算和分析。

（9）繪制最終內圈、外圈、滾子及保持架的產品圖紙，完成設計。

3 汽車輪轂圓錐滾子軸承設計的注意事項

過去軸承行業的圓錐滾子軸承沿用七八十年代的經驗類比設計，方法較落后，產品水平低、性能差，已無法滿足汽車高轉速、低扭矩等使用工況，針對汽車輪轂使用的單列圓錐滾子軸承，需要借助于計算機有限元分析法等手段，逐步進行結構優化，單列圓錐滾子軸承的系列設計發展至今，在性能和精度上提高新的一個臺階，重點三方面如下。

（1）內圈大擋邊和滾子大端面的接觸。

在以往的設計中，內圈大擋邊采用的圓弧形，且和滾子大端面的球基面曲率相同，很難產生流體動力潤滑，易形成混合摩擦。需要進行跑合過程。跑合過程中需要時間的磨合，還存在故障失效的風險。磨損下來的微小顆粒物將會污染潤滑劑，加速軸承的磨損。在承受重負荷的內外圈滾道上產生壓痕凹坑導致過早疲勞。加劇磨損進程，會引起高熱運轉，磨損過度甚至出現咬死的風險。

通過優化設計，把弧擋邊改為錐擋邊，滾子球基面半徑r等于0.95倍的弧擋邊半徑，同時滾子球基面在內圈大擋邊的中間部位接觸，以便于取得楔形潤滑油膜，改善滾子和內圈大擋邊的潤滑狀態，實現低摩擦、低溫、低摩擦磨損運轉，很好降低過熱運轉等失效故障，提高軸承的使用的可靠性。

（2）內外圈的滾道和滾子接觸。

通過有限元CAE分析，得出單列圓錐滾子軸承采用內外圈滾道和滾子帶凸度的方法可以降低邊緣應力，如（圖2）有凸度的軸承和標準軸承的應力對比：在（圖2）里的b和d是采用的帶有凸度的圓錐滾子軸承，a和c是標準圓錐滾子軸承，從應力圖中，可以看出帶有凸度的圓錐滾子軸承很明顯的降低了邊緣應力，不管輕負荷和重負荷，其載荷分布都相對均勻，不呈現應力峰值。在滾子凸度設計中常利用對數母線修型設計，采用特殊的加工制造方法的凸度滾子圓錐軸承，經驗證，得出效果還是挺不錯的。

其次，除了對滾子和內外圈的滾道增加凸度值以外，對滾道和滾子的表面粗糙度也應相應提高，這樣才能出現高壽命的軸承。

（3）滾子與保持架的接觸。

保持架主要起到隔離滾子，使滾子相互之間保持一定的距離，防止兩滾子之間接觸干涉，且減少摩擦熱；以及能夠均勻的將滾子分布在軸承內圈上，能夠降低振動和噪聲。為了實現以上要求，沖壓鋼板保持架窗孔與滾子的接觸表面適當設計了壓坡，使滾子和保持架能夠為很小的力就能夠傳遞，且減少在接觸區存留的外來微粒和滾子被劃傷的危險。除了沖壓保持架外，還有采用性能良好的注射塑料聚酰胺66保持架。聚酰胺材料具有在缺少潤滑油的情況下，可起到固體潤滑劑的作用，防止軸承咬死的失效故障。

4 結語

在我們設計汽車輪轂軸承的過程中，在追求最大額定動載荷的同時，需要考慮到國內現有的加工工藝水平，不同的生產廠家的工藝水平參差不齊。在產品開發設計時，盡量吸收最新的研究成果，結合軸承的具體使用工況，設計出最佳參數的輪轂單列圓錐滾子軸承，這本身就是一種優化過程，而不是一味地追求額定動載荷最大。

參考文獻

[1] 劉惟信.汽車設計[M].北京：清華大學出版社，2007.endprint