淺談汽車輪轂軸承的設計

林偉雄

東風柳州汽車有限公司 廣西柳州市 545005

1 引言

輪轂軸承作為汽車的關鍵零部件之一，承載著整車重量的同時也為鋼圈的轉動提供精確的引導。受汽車工業低能耗、高速、輕量化發展趨勢的影響，輪轂軸承的設計也逐漸必須滿足重載、輕量化、高可靠性、高精度等要求。目前，輪轂軸承已經由傳統的組合式輪轂軸承發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適用階段。本文將以三代輪轂軸承為例，簡要介紹汽車輪轂軸承的一般設計過程。

2 三代輪轂軸承的結構

三代輪轂軸承一般由內外法蘭、鋼球、鋼球保持架、密封圈、ABS感應齒圈、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 三代輪轂軸承的設計

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，在國標中為GCr15，日本工業標準JIS中又叫SUJ2，德國標準化學會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、耐磨性及高抗張強度等特點，廣泛應用于汽車工業、儀器殼體等抗沖擊性和強度要求高的產品中。

3.2 輪轂軸承的設計流程

圖1展示了三代輪轂軸承的一般開發設計過程。首先根據項目開發的車型信息初步得到輪轂軸承基本尺寸、目標重量、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，并根據車輛參數進行軸承的理論計算分析，確定軸承詳細設計方案。最后生產工裝樣件，并根據相應的試驗程序進行臺架試驗驗證，試驗通過后才能批量生產。

圖1 輪轂軸承設計過程

3.2 輪轂軸承的計算

在輪轂軸承的設計計算過程中，主要的計算為軸承的載荷計算、壽命計算、強度剛度計算。

3.2.1 輪轂軸承的載荷計算

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，即在汽車實際行駛過程中，路面對車輪的徑向、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，其作用點位于車輪接地點，作用距離為輪胎的滾動半徑。

式中：

FY-徑向載荷，方向垂直于地面向上；FX-軸向載荷，式中負號表示由輪胎外側指向內側；W-滿載時前軸質量，g為重力加速度，取9.8N/kg； H-車輛質心高度；T-前軸輪距；ag-轉彎加速度；e-輪轂偏移量；

3.2.2 輪轂軸承的壽命計算

現在國內比較常見的壽命計算均采用FAG的標準循環路譜（詳情見圖2），最大的側向加速度為0.6g，對汽車在直行及轉彎等工況下承受不同的沖擊及不同的側向加速度來考量軸承的循環壽命，一般要求計算的理論壽命大于30萬公里。

每一個循環的壽命計算：

p：指數，球軸承p=3，

每一列的壽命計算，

系統的壽命計算：

其中：

e：指數；球軸承 e=10/9；滾子軸承e=9/8

3.2.3 剛度計算

輪轂軸承計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傾斜角，其原理如圖3所示。測量圖中C1、C2、D1、D2四點軸向位移，并計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。

計算公式如下：

3.2.4 強度計算

圖3

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

4 輪轂軸承試驗

在輪轂軸承量產前，一般還必須對輪轂軸承進行臺架試驗驗證，不同的開發車型對輪轂軸承的臺架試驗要求也不一樣，其中三代輪轂軸承常見的臺架試驗有16項，包括螺栓打滑力矩試驗、齒圈脫出力試驗、旋轉力矩試驗、泥漿噴濺試驗、漏脂試驗、防塵試驗、一般耐久試驗、高溫耐久試驗、低溫耐久試驗、旋轉彎曲疲勞試驗、微動磨損試驗、靜強度試驗、剛性試驗、沖擊試驗、鋼球壓碎試驗、鹽霧試驗等。

5 結語

圖2 循環路譜

本文通過對汽車輪轂軸承單元開發過程中的選型、壽命計算、強度剛度分析及臺架試驗等基本介紹，旨在進一步提升輪轂軸承的設計質量，為整車開發提供支持。