汽車(chē)輪轂軸承單元正向和逆向開(kāi)發(fā)對(duì)比分析

顧晨磊 孟月仙 全泉 陳漢武 趙蘇

（泛亞汽車(chē)技術(shù)中心有限公司）

隨著中國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展及國(guó)內(nèi)汽車(chē)的老齡化，有別于4S店維修體系的、類(lèi)似于汽配城和維修店等模式的汽車(chē)獨(dú)立售后市場(chǎng)得到較快的發(fā)展，而適用于這個(gè)市場(chǎng)的輪轂軸承單元憑借其較低的價(jià)格等優(yōu)勢(shì)，成為車(chē)主在維修和更換輪轂軸承單元時(shí)的選項(xiàng)之一，將在與原廠(chǎng)維修配件的競(jìng)爭(zhēng)中占有更多的份額。與主機(jī)廠(chǎng)正向開(kāi)發(fā)輪轂軸承單元時(shí)30萬(wàn)km以上的設(shè)計(jì)壽命不同，獨(dú)立售后市場(chǎng)輪轂軸承單元供應(yīng)商主要依據(jù)主機(jī)廠(chǎng)的前裝件進(jìn)行逆向開(kāi)發(fā)，其設(shè)計(jì)壽命從10萬(wàn)km到30萬(wàn)km不等。這2種開(kāi)發(fā)模式因特點(diǎn)不同而適用于不同的客戶(hù)群體。文章將討論并對(duì)比輪轂軸承單元的正向開(kāi)發(fā)和逆向開(kāi)發(fā)這2種模式在開(kāi)發(fā)流程、材料工藝及試驗(yàn)驗(yàn)證等方面的異同，并就輪轂軸承單元及其生產(chǎn)商的發(fā)展進(jìn)行分析。

1 輪轂軸承單元的發(fā)展過(guò)程和趨勢(shì)

輪轂軸承的單元化過(guò)程分為4個(gè)階段。1）傳統(tǒng)輪轂軸承（也稱(chēng)0代輪轂軸承）采用2套單獨(dú)的圓錐滾子軸承或者球軸承，在整車(chē)裝配時(shí)需要人工進(jìn)行游隙調(diào)整、預(yù)緊及添加潤(rùn)滑脂等工序，裝配難度較大，導(dǎo)致成本過(guò)高且可靠性較差。2）20世紀(jì)30年代出現(xiàn)并于60年代實(shí)現(xiàn)批量裝車(chē)的第1代輪轂軸承[1]由外圈整體型雙列角接觸球軸承或雙列圓錐滾子軸承（填入潤(rùn)滑脂和帶密封的普通型軸承）組成，具有可靠、有效載荷間距短、易安裝、無(wú)需調(diào)整和再潤(rùn)滑及結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于我國(guó)早期引進(jìn)的車(chē)型。但是，為了確保裝車(chē)時(shí)的軸承預(yù)緊力，對(duì)輪轂軸承溝心距精度要求較高。3）與第1代輪轂軸承相比，第2代輪轂軸承單元在軸承外圈上一體化了一個(gè)用于固定軸承的法蘭，可以直接通過(guò)螺栓將輪轂軸承單元連接到懸架上或安裝到制動(dòng)盤(pán)上，整體質(zhì)量較輕，裝配部件數(shù)較少，更加易于安裝。4）第3代輪轂軸承單元?jiǎng)t是在第2代輪轂軸承單元的基礎(chǔ)上，把輪轂、ABS傳感器及軸承套圈等與軸承相配合的零件制成整體化的形式。其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)包括內(nèi)法蘭和外法蘭，內(nèi)法蘭與驅(qū)動(dòng)軸固定，外法蘭則將整個(gè)軸承套裝在一起。第3代輪轂軸承單元?jiǎng)傂愿?，通過(guò)預(yù)置預(yù)緊載荷并預(yù)調(diào)游隙[2]使之安裝更加方便，且易安裝ABS傳感器，能極大地提高各主機(jī)廠(chǎng)的總裝效率。目前，各大主機(jī)廠(chǎng)的新車(chē)型項(xiàng)目基本都在采用第3代輪轂軸承單元。從最初的傳統(tǒng)輪轂軸承到現(xiàn)在各大主機(jī)廠(chǎng)大批量使用的第3代輪轂軸承單元，其集成化程度和生產(chǎn)效率越來(lái)越高，安裝越來(lái)越便利。

此外，第4代輪轂軸承單元[3]在21世紀(jì)初已經(jīng)初步研制成功，它把等速萬(wàn)向節(jié)與軸承做成了一個(gè)整體，通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)和道路試驗(yàn)得到了部分主機(jī)廠(chǎng)的認(rèn)可，相信在不久的將來(lái)就會(huì)被應(yīng)用于各類(lèi)汽車(chē)上。它將有效地解決現(xiàn)有技術(shù)中由于輪轂與等速萬(wàn)向節(jié)一體結(jié)構(gòu)使得輪轂尺寸增大和質(zhì)量增加的缺點(diǎn)，但是，這個(gè)設(shè)計(jì)會(huì)在售后維修時(shí)增加單件的更換成本。

2 輪轂軸承單元正向開(kāi)發(fā)和逆向開(kāi)發(fā)的對(duì)比

輪轂軸承單元的開(kāi)發(fā)模式主要分成2類(lèi)：一類(lèi)是以整車(chē)廠(chǎng)的車(chē)型開(kāi)發(fā)為導(dǎo)向，供應(yīng)商根據(jù)車(chē)型需求和參數(shù)進(jìn)行前裝輪轂軸承單元的正向開(kāi)發(fā)。整車(chē)出廠(chǎng)及4S店所更換的維修件均是正向開(kāi)發(fā)的輪轂軸承單元件，目前，在國(guó)內(nèi)這一類(lèi)零件的生產(chǎn)供應(yīng)商主要以外資和合資品牌為主，因批量化供貨，其生產(chǎn)自動(dòng)化程度相對(duì)更高。另一類(lèi)則是以汽車(chē)獨(dú)立售后市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，依照前裝輪轂軸承單元進(jìn)行的逆向開(kāi)發(fā)。獨(dú)立售后供應(yīng)商會(huì)依托市場(chǎng)數(shù)據(jù)，根據(jù)市場(chǎng)反饋、客戶(hù)需求及相關(guān)市場(chǎng)策略，選取銷(xiāo)量較大的輪轂軸承單元進(jìn)行開(kāi)發(fā)生產(chǎn)，主要服務(wù)于國(guó)外客戶(hù)、出口貿(mào)易商及國(guó)內(nèi)代理商等，也為某些大品牌貼牌代工。逆向開(kāi)發(fā)的前期研發(fā)工作相對(duì)簡(jiǎn)單，驗(yàn)證投入相對(duì)較少，對(duì)應(yīng)不同銷(xiāo)售渠道和需求，產(chǎn)品線(xiàn)覆蓋更全面，可進(jìn)行小批量靈活生產(chǎn)，產(chǎn)品價(jià)格也相對(duì)更低。2種開(kāi)發(fā)模式的開(kāi)發(fā)流程都包括原始輸入、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析校核及試驗(yàn)驗(yàn)證等環(huán)節(jié)，現(xiàn)針對(duì)開(kāi)發(fā)環(huán)節(jié)、材料及工藝等方面的區(qū)別和相同點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析。

1）就輪轂軸承單元正向開(kāi)發(fā)的原始輸入而言，根據(jù)車(chē)型的定位和需求，主機(jī)廠(chǎng)一般需要向輪轂軸承單元供應(yīng)商輸入該車(chē)型的一些與軸承設(shè)計(jì)相關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)，包括滿(mǎn)載質(zhì)心高度、前/后輪距、前/后滿(mǎn)載軸重、前/后輪胎半徑、輪胎中心與軸承中心的偏距及軸承與轉(zhuǎn)向節(jié)或輪轂配合的外形尺寸和形狀等，這些信息決定了輪轂軸承單元的軸向與徑向載荷的分布情況和安裝空間，影響其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、滾動(dòng)體尺寸選擇及壽命的計(jì)算。逆向開(kāi)發(fā)輪轂軸承單元時(shí)的原始輸入則是針對(duì)前裝件內(nèi)外部尺寸的測(cè)量。其中，外部尺寸主要測(cè)量其內(nèi)徑、外徑、單元寬度及法蘭盤(pán)配合尺寸等參數(shù)；內(nèi)部尺寸測(cè)量則需要在解剖前裝輪轂軸承單元后進(jìn)行，包括滾動(dòng)體直徑和內(nèi)外溝道直徑等。這就要求供應(yīng)商至少需要準(zhǔn)備2個(gè)原廠(chǎng)件作為參考來(lái)進(jìn)行輪轂軸承單元的逆向開(kāi)發(fā)。從材料選用和尺寸設(shè)計(jì)角度來(lái)說(shuō)，供應(yīng)商在逆向開(kāi)發(fā)時(shí)必須要盡可能地保證軸承內(nèi)徑、單元寬度、法蘭盤(pán)孔直徑及圓周直徑等配合尺寸和前裝件一致，其余尺寸的設(shè)計(jì)和材料的選用則可以根據(jù)客戶(hù)對(duì)產(chǎn)品的壽命需求、現(xiàn)有的供應(yīng)商體系、材料規(guī)格及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

2）從輪轂軸承單元的受力分析和樣件試制的角度來(lái)說(shuō)，正向開(kāi)發(fā)和逆向開(kāi)發(fā)的區(qū)別相對(duì)較小，卻也非常關(guān)鍵。受力分析一般都是依據(jù)有限元分析軟件進(jìn)行，正向開(kāi)發(fā)在進(jìn)行受力分析時(shí)，其受力輸入是主機(jī)廠(chǎng)提供的載荷數(shù)據(jù)。而逆向開(kāi)發(fā)時(shí)的受力分析則是按照經(jīng)驗(yàn)載荷值進(jìn)行校核，因此會(huì)存在一定的偏差。樣件試制的區(qū)別根源主要在供應(yīng)商本身的生產(chǎn)能力、經(jīng)驗(yàn)?zāi)芰Α⒐に囁郊笆欠裼兄鳈C(jī)廠(chǎng)的信息支撐。目前，輪轂軸承單元主軸固定小內(nèi)圈的方法有螺母鎖定、外部壓裝及現(xiàn)在很常用也比較先進(jìn)的搖碾鉚合3種技術(shù)。選用何種設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝源于客戶(hù)需求的不同和供應(yīng)商本身的能力差異。而密封失效是輪轂軸承最常見(jiàn)的失效現(xiàn)象之一，密封元件的選用和密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也是產(chǎn)品質(zhì)量的決定性因素。此外，目前常見(jiàn)的ABS輪速傳感器分為脈沖發(fā)生圈、磁性脈沖圈、被動(dòng)傳感器及主動(dòng)傳感器等，選用何種傳感器及能否保證傳感器信號(hào)的穩(wěn)定性，都會(huì)影響樣件試制甚至零件量產(chǎn)后的產(chǎn)品水平和質(zhì)量穩(wěn)定性。

3）主機(jī)廠(chǎng)在正向開(kāi)發(fā)過(guò)程中通常都會(huì)通過(guò)零件級(jí)和整車(chē)級(jí)等試驗(yàn)來(lái)保證零件性能、壽命及與整車(chē)的匹配性。整車(chē)級(jí)路試更是主機(jī)廠(chǎng)最信賴(lài)和最直接的考核依據(jù)，用以考核輪轂軸承單元在各種環(huán)境、速度及路況下的耐久性能、密封性能及噪聲水平等。而逆向開(kāi)發(fā)出于對(duì)成本的考慮，再加上試驗(yàn)資源和開(kāi)發(fā)周期等因素的制約，一般只進(jìn)行相關(guān)的零件級(jí)試驗(yàn)[4]。對(duì)于目前輪轂軸承單元的獨(dú)立售后市場(chǎng)，包括一些知名品牌在內(nèi)的大部分輪轂軸承單元供應(yīng)商，在逆向開(kāi)發(fā)時(shí)通常只借鑒了正向開(kāi)發(fā)零部件級(jí)的耐久性試驗(yàn)、泥漿噴濺試驗(yàn)及法蘭盤(pán)旋轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)這3個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)進(jìn)行相關(guān)的性能驗(yàn)證，而這3個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)的驗(yàn)證過(guò)程和參數(shù)也與正向開(kāi)發(fā)存在區(qū)別。正向開(kāi)發(fā)輪轂軸承單元的主機(jī)廠(chǎng)供應(yīng)商在進(jìn)行這些試驗(yàn)時(shí)所加載的載荷都是基于主機(jī)廠(chǎng)的原始輸入而計(jì)算獲得；而獨(dú)立售后市場(chǎng)的供應(yīng)商則無(wú)法進(jìn)行這種精確的操作，他們?cè)谠囼?yàn)過(guò)程中的載荷加載在某種程度上是基于自己的經(jīng)驗(yàn)，或是和客戶(hù)商討確定，一般會(huì)低于前裝件的試驗(yàn)載荷。此外，輪轂軸承單元在正向開(kāi)發(fā)和逆向開(kāi)發(fā)時(shí)設(shè)計(jì)壽命的不同也決定了他們進(jìn)行耐久性等試驗(yàn)時(shí)采用不同的要求和周期。

除了這3個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)之外，主機(jī)廠(chǎng)在正向開(kāi)發(fā)輪轂軸承單元時(shí)，通常需要進(jìn)行的零件級(jí)試驗(yàn)項(xiàng)還包括密封氣密性能試驗(yàn)、靜強(qiáng)度試驗(yàn)、剛度試驗(yàn)、軸承摩擦力矩試驗(yàn)、微動(dòng)磨損試驗(yàn)、螺栓打滑試驗(yàn)（也稱(chēng)抗扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)）、螺栓壓出力試驗(yàn)、抗沖擊試驗(yàn)及耐腐蝕試驗(yàn)甚至高速耐久試驗(yàn)等。其中有些試驗(yàn)項(xiàng)是逆向開(kāi)發(fā)時(shí)所不需要的，比如微動(dòng)磨損試驗(yàn)，它是模擬整車(chē)物流過(guò)程中軸承由于路途顛簸和汽車(chē)自重引起軸承內(nèi)部溝道撞擊失效而設(shè)置的，獨(dú)立售后市場(chǎng)配件基本不會(huì)存在整車(chē)運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程，自然也就不再需要；再比如靜強(qiáng)度和剛度試驗(yàn)，由于該試驗(yàn)的考核內(nèi)容與法蘭盤(pán)的材料性能及尺寸息息相關(guān)，且前裝輪轂軸承單元在正向開(kāi)發(fā)時(shí)已經(jīng)進(jìn)行了該項(xiàng)試驗(yàn)，因此，逆向開(kāi)發(fā)輪轂軸承單元時(shí)只要保證了材料和尺寸與前裝件的匹配性，理論上也可以不進(jìn)行該項(xiàng)試驗(yàn)。但是，在除去這些在逆向開(kāi)發(fā)時(shí)可以不進(jìn)行的試驗(yàn)項(xiàng)之外，作為負(fù)責(zé)任的獨(dú)立售后品牌，建議最好再加上軸承摩擦力矩試驗(yàn)、螺栓牢固性試驗(yàn)及抗沖擊性能試驗(yàn)。摩擦力矩較小的輪轂軸承單元有助于降低油耗，同時(shí)也從某個(gè)程度上反映了輪轂軸承單元的預(yù)緊力水平和密封性能，因此，摩擦力矩試驗(yàn)在逆向開(kāi)發(fā)輪轂軸承單元時(shí)還是有必要進(jìn)行的；法蘭盤(pán)螺栓的牢固性是保證輪轂軸承單元與制動(dòng)盤(pán)或輪轂?zāi)芊€(wěn)定連接的關(guān)鍵零件，這也是選擇螺栓時(shí)對(duì)其性能等級(jí)有要求的原因之一，因此，包括螺栓抗扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)和壓出力試驗(yàn)在內(nèi)的螺栓牢固性能試驗(yàn)是輪轂軸承單元安全件所需要的；抗沖擊性能試驗(yàn)則是模擬汽車(chē)行駛時(shí)車(chē)輪撞到路肩時(shí)的工況，是考核輪轂軸承單元法蘭盤(pán)在撞擊路肩時(shí)的破壞情況，是汽車(chē)撞擊時(shí)車(chē)主安全的保障之一。

4）無(wú)論是正向開(kāi)發(fā)還是逆向開(kāi)發(fā)，輪轂軸承單元的材料和工藝都非常接近，如表1所示。因而很多輪轂軸承單元的前裝供應(yīng)商會(huì)同時(shí)擁有這2類(lèi)業(yè)務(wù)。

表1 輪轂軸承單元常見(jiàn)材料

通常，輪轂軸承單元供應(yīng)商的自制子零件只有帶凸緣的法蘭盤(pán)和小內(nèi)圈2類(lèi)，其關(guān)鍵工藝在于熱處理和磨加工。熱處理主要包括整體淬火、溝道感應(yīng)淬火及退火，每個(gè)供應(yīng)商在熱處理的溫度和時(shí)間控制方面都可能會(huì)有細(xì)微的差別，但是對(duì)零件的考核都主要以表面硬度為考核維度且都是接近的。而在磨加工方面，一般都會(huì)有車(chē)加工、溝道精磨及溝道超精磨。其中，很多供應(yīng)商都會(huì)在溝道超精磨加工時(shí)將內(nèi)外圈進(jìn)行組合磨加工，以保證其配合和游隙尺寸。此外，大型的前裝供應(yīng)商一般會(huì)在探傷方面執(zhí)行得更加嚴(yán)格，基本上在生產(chǎn)線(xiàn)上會(huì)對(duì)所有法蘭盤(pán)進(jìn)行探傷，而大部分獨(dú)立售后市場(chǎng)供應(yīng)商則可能只會(huì)進(jìn)行抽檢探傷。

3 結(jié)論

文章從汽車(chē)輪轂軸承單元的作用和結(jié)構(gòu)切入，主要從汽車(chē)輪轂軸承單元的開(kāi)發(fā)流程、關(guān)鍵生產(chǎn)工藝、所使用的材料和標(biāo)準(zhǔn)及零件試驗(yàn)驗(yàn)證等角度詳述并分析了逆向開(kāi)發(fā)和正向開(kāi)發(fā)汽車(chē)輪轂軸承單元的差異。總結(jié)出，正向開(kāi)發(fā)的輪轂軸承單元的開(kāi)發(fā)流程更完善、更合理，試驗(yàn)驗(yàn)證也更加全面，但是相應(yīng)的開(kāi)發(fā)周期更長(zhǎng)，成本也更高，主要用于整車(chē)裝配或者4S店維修體系；而逆向開(kāi)發(fā)的輪轂軸承單元開(kāi)發(fā)流程相對(duì)簡(jiǎn)單，試驗(yàn)驗(yàn)證相對(duì)精簡(jiǎn)，所需要的開(kāi)發(fā)周期和成本也較低，更多地適用于出口貿(mào)易和國(guó)內(nèi)的汽配城及維修店等汽車(chē)獨(dú)立售后市場(chǎng)。車(chē)主在理解汽車(chē)輪轂軸承單元的關(guān)鍵性能和質(zhì)量因素之后，就能更好地根據(jù)自己的實(shí)際需要和預(yù)算去選擇合適的輪轂軸承單元。同時(shí)，文章也為汽車(chē)輪轂軸承單元生產(chǎn)商更合理、更規(guī)范地進(jìn)行輪轂軸承單元的逆向開(kāi)發(fā)提供了一定的參考。