軸向游隙對轎車輪轂軸承性能的影響

黎桂華

(韶關東南軸承有限公司，廣東 韶關 512029)

與通用軸承相比較，轎車輪轂軸承是技術復雜程度相對較高的一類軸承。自1938年SKF公司制造的輪轂軸承單元問世以來，輪轂軸承就一直向著高載荷能力、結構緊湊、免維護、高可靠性以及輕量化方向發展[1-2]。汽車整車廠對關鍵零部件的早期失效要求越來越嚴格。輪轂軸承早期失效的典型現象為出現異響、車輪晃動[3]等，因此，研究軸向游隙對轎車輪轂軸承性能的影響很有意義。

1 數學分析方法

研究的轎車輪轂軸承為用于前驅動輪的第1代輪轂軸承單元，為雙列角接觸球軸承結構，如圖1所示。轎車輪轂軸承轉速一般在1 000 r/min左右，屬于中、低速應用場合，因此，鋼球離心力和陀螺力矩的影響可忽略不計，而且鋼球上的摩擦力和力矩也不會顯著影響載荷分布。

1.1 載荷分布求解

圖1給出了轎車輪轂軸承結構及受載分析。考慮接觸角的變化和軸向預載荷，基于靜力學分析方法建立2自由度的數學模型，由于該軸系為靜不定系統，軸承載荷不能從靜平衡方程中全部求解，這里采用數值求解方法求解輪轂軸承載荷分布。輪胎軸向載荷Fyr與施加于內、外列軸承的軸向載荷(Fa1，Fa2)平衡；此外，軸承軸向游隙δ0與兩列軸承受載后的軸向位移之和δa1+δa2也必須平衡，即有

圖1 轎車輪轂軸承結構及受載分析

Fa1-Fa2+Fyr=0。

(1)

δa1+δa2+δ0=0,

(2)

作用于轎車輪胎的徑向、軸向載荷計算公式可以由轎車的穩態轉彎模型推導[4]。

采用數值方法對離散溝道鋼球接觸載荷求和，可以得到以下軸承平衡方程

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：Kn為載荷-位移常數，由軸承結構參數決定[3]；A為載荷作用前內、外圈溝道曲率中心距離；Fr1，Fr2分別為作用于內、外列軸承的徑向載荷；δr1和δr2分別為內、外列軸承的徑向位移；α0為軸承的名義接觸角;ψ為鋼球的位置角。聯立 (1)～(6)式，運用Newton-Raphson方法求解，可以計算出內、外列軸承的徑向、軸向位移(δr1，δr2，δa1，δa2)以及軸向載荷(Fa1，Fa2)。應用這一計算結果，可以進一步求出內、外列軸承的每一角位置處鋼球的法向接觸載荷Qψ，接觸角αψ，鋼球與內、外溝道間的法向Hertz變形δiψ，δeψ和Hertz接觸應力σiψ，σeψ[5]。

1.2 疲勞壽命

通常，根據5%左轉(側向加速度ag=-0.25g，g為重力加速度，下同)、5%右轉(ag=+0.25g)和90%直線行駛(ag=0)的載荷譜計算轎車輪轂軸承的疲勞壽命(90%的可靠性)[6]。對于每一種行駛狀態求解每一列軸承的載荷分布，然后進一步計算該行駛狀態下的疲勞壽命(L-0.25g，L0g，L+0.25g)[2]。

基于每一種行駛狀態及其使用率，內、外列軸承的疲勞壽命L1，L2為

(i=1,2),

(7)

輪轂軸承系統疲勞壽命為

Lsys=[(L1)-10/9+(L2)-10/9]-9/10。

(8)

1.3 力矩剛性

轎車輪轂軸承的力矩剛性是通過相對傾斜角θ來衡量的，是轎車制動器剛性的重要組成部分，由兩列軸承的徑向位移(δr1，δr2)差異引起，并受到兩軸承載荷作用點距離影響。轎車輪轂軸承的力矩剛性為

θ=arctan (δr1-δr2)/S,

(9)

式中：S是兩列軸承載荷作用點間距。

2 軸向游隙對轎車輪轂軸承性能的影響分析

2.1 對力矩剛性的影響分析

現在的轎車輪轂軸承單元通常集成了輪轂主軸、轉向節聯結凸緣盤等外圍部件。這些外圍部件在外部載荷的作用下會發生彈性變形，其剛性也是轎車輪轂軸承力矩剛性的組成部分。實踐中往往通過測量分析相對傾斜角來評定輪轂軸承的力矩剛性。文獻[7]的研究結果表明：一般來說，輪轂軸承本身的力矩剛性是輪轂軸承單元整體力矩剛性的主要組成部分。

圖2給出了用于驅動輪的第1代輪轂軸承的軸向游隙對軸承位移的影響結果。圖2顯示了在兩種典型的行駛狀態(ag=-0.25g，ag=0)下，每一列軸承的徑向和軸向位移相對軸向游隙的變化情況。左轉彎時，軸向游隙對內列軸承的位移影響很小。圖2中還顯示，如果軸承在一個合適的負軸向游隙狀態下工作，輪轂軸承的位移將得到抑制(減少)。

圖2 軸向游隙對軸承軸向和徑向位移的影響

顯然，軸向游隙對軸承位移的影響會在其對力矩剛性影響上反映出來。圖3給出了在3種行駛狀態下(ag=-0.25g，0g，+0.25g)軸承相對傾斜角受軸向游隙的影響分析結果。除了在直線行駛狀態下，軸向游隙對相對傾斜角的影響不大以外；其他行駛狀態下，相對傾斜角均受到軸向游隙的顯著影響，軸向負游隙越大，相對傾斜角越小，兩者成近似線性關系。當軸承在較大的軸向正游隙狀態下工作，其在轉彎狀態下的相對傾斜角顯著加大。

圖3 軸向游隙對相對傾斜角的影響

2.2 對系統疲勞壽命的影響分析[8]

輪轂軸承軸向游隙顯著影響軸承內部的載荷分布和位移以及由內部接觸載荷決定的疲勞壽命。圖4給出了該輪轂軸承單元內、外列軸承疲勞壽命及系統疲勞壽命受軸向游隙的影響結果。輪轂軸承處于一個合適的軸向負游隙時系統壽命最長，但隨著軸向負游隙進一步增大(即軸向預載荷增大)，疲勞壽命迅速降低。

圖4 軸向游隙對輪轂軸承單元疲勞壽命的影響

2.3 車輪晃動的理論解釋

轎車的輪胎徑向載荷作用線相對軸承中心往往會有偏移，輪轂軸承在轎車非直線行駛過程中會受到上述外部載荷形成的力矩作用。如果在由外部載荷形成的力矩作用下導致相對傾斜角過大，則通常表現為車輪晃動。

從輪轂軸承早期失效統計數據來看，車輪晃動及軸承異響占比較大的比例。除了早期疲勞剝落失效、異物侵入引起軸承異響之外，其他類型的失效基本上可以歸因于軸承的軸向游隙過大。軸承工作時軸向游隙較大，導致其相對傾斜角過大，最終表現為車輪晃動和/或伴隨軸承異響。嚴重時，由于滾動體偏離正常的工作區域，會引起軸承異響。與軸承配合的部件精度不滿足工程應用要求時，往往也會導致車輪晃動及軸承異響等失效現象，但不屬本次討論范圍。

3 軸向游隙的設計要點

為了取得更長的疲勞壽命并提高力矩剛性，必需對輪轂軸承施加合適的軸向預載荷，以使軸承在負的軸向游隙下工作。鑒于疲勞壽命和力矩剛性相對軸向游隙的變化規律相反，設計時，為了得到整體最優設計方案，一般需要進行多目標優化。

對于采用螺母預緊的輪轂軸承單元，為了得到合適的工作游隙，需要綜合考慮軸承的原始游隙、其與軸及軸承座孔的配合、螺母鎖緊力矩等因素。對于采用其他方式(如軸鉚合)實現預緊的輪轂軸承單元，在實施預緊前需確保軸承處于適當的原始軸向游隙并有效控制軸向預緊載荷。

此外，由于轎車轉彎行駛過程中存在側向輪胎載荷，軸承外徑面與轉向節座孔之間的過盈配合會產生配合壓力，配合壓力引起的軸向摩擦力要不小于相應的側向輪胎載荷，否則，容易產生微動磨損進而引起早期失效[9]。因此，配合設計時需考慮必要的過盈量。

4 結束語

轎車輪轂軸承軸向游隙對輪轂軸承的疲勞壽命、力矩剛性等性能指標有顯著影響。軸承工作時的軸向游隙不合適是導致車輪晃動的根本原因。為了優化疲勞壽命及提高力矩剛性，必須對輪轂軸承施加合適的軸向預載荷，以使軸承在負的軸向游隙狀態下工作。設計時，需要綜合考慮軸承的原始游隙、與外圍部件的配合、螺母鎖緊力矩、鎖緊方式等因素。