汽車輪轂軸承單元正向和逆向開發對比分析

顧晨磊 孟月仙 全泉 陳漢武 趙蘇

（泛亞汽車技術中心有限公司）

隨著中國汽車產業的迅猛發展及國內汽車的老齡化，有別于4S店維修體系的、類似于汽配城和維修店等模式的汽車獨立售后市場得到較快的發展，而適用于這個市場的輪轂軸承單元憑借其較低的價格等優勢，成為車主在維修和更換輪轂軸承單元時的選項之一，將在與原廠維修配件的競爭中占有更多的份額。與主機廠正向開發輪轂軸承單元時30萬km以上的設計壽命不同，獨立售后市場輪轂軸承單元供應商主要依據主機廠的前裝件進行逆向開發，其設計壽命從10萬km到30萬km不等。這2種開發模式因特點不同而適用于不同的客戶群體。文章將討論并對比輪轂軸承單元的正向開發和逆向開發這2種模式在開發流程、材料工藝及試驗驗證等方面的異同，并就輪轂軸承單元及其生產商的發展進行分析。

1 輪轂軸承單元的發展過程和趨勢

輪轂軸承的單元化過程分為4個階段。1）傳統輪轂軸承（也稱0代輪轂軸承）采用2套單獨的圓錐滾子軸承或者球軸承，在整車裝配時需要人工進行游隙調整、預緊及添加潤滑脂等工序，裝配難度較大，導致成本過高且可靠性較差。2）20世紀30年代出現并于60年代實現批量裝車的第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、無需調整和再潤滑及結構緊湊等優點，廣泛應用于我國早期引進的車型。但是，為了確保裝車時的軸承預緊力，對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用于固定軸承的法蘭，可以直接通過螺栓將輪轂軸承單元連接到懸架上或安裝到制動盤上，整體質量較輕，裝配部件數較少，更加易于安裝。4）第3代輪轂軸承單元則是在第2代輪轂軸承單元的基礎上，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。其設計結構包括內法蘭和外法蘭，內法蘭與驅動軸固定，外法蘭則將整個軸承套裝在一起。第3代輪轂軸承單元剛性更高，通過預置預緊載荷并預調游隙[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廠的總裝效率。目前，各大主機廠的新車型項目基本都在采用第3代輪轂軸承單元。從最初的傳統輪轂軸承到現在各大主機廠大批量使用的第3代輪轂軸承單元，其集成化程度和生產效率越來越高，安裝越來越便利。

此外，第4代輪轂軸承單元[3]在21世紀初已經初步研制成功，它把等速萬向節與軸承做成了一個整體，通過臺架試驗和道路試驗得到了部分主機廠的認可，相信在不久的將來就會被應用于各類汽車上。它將有效地解決現有技術中由于輪轂與等速萬向節一體結構使得輪轂尺寸增大和質量增加的缺點，但是，這個設計會在售后維修時增加單件的更換成本。

2 輪轂軸承單元正向開發和逆向開發的對比

輪轂軸承單元的開發模式主要分成2類：一類是以整車廠的車型開發為導向，供應商根據車型需求和參數進行前裝輪轂軸承單元的正向開發。整車出廠及4S店所更換的維修件均是正向開發的輪轂軸承單元件，目前，在國內這一類零件的生產供應商主要以外資和合資品牌為主，因批量化供貨，其生產自動化程度相對更高。另一類則是以汽車獨立售后市場需求為導向，依照前裝輪轂軸承單元進行的逆向開發。獨立售后供應商會依托市場數據，根據市場反饋、客戶需求及相關市場策略，選取銷量較大的輪轂軸承單元進行開發生產，主要服務于國外客戶、出口貿易商及國內代理商等，也為某些大品牌貼牌代工。逆向開發的前期研發工作相對簡單，驗證投入相對較少，對應不同銷售渠道和需求，產品線覆蓋更全面，可進行小批量靈活生產，產品價格也相對更低。2種開發模式的開發流程都包括原始輸入、產品設計、分析校核及試驗驗證等環節，現針對開發環節、材料及工藝等方面的區別和相同點進行對比分析。

1）就輪轂軸承單元正向開發的原始輸入而言，根據車型的定位和需求，主機廠一般需要向輪轂軸承單元供應商輸入該車型的一些與軸承設計相關的關鍵參數，包括滿載質心高度、前/后輪距、前/后滿載軸重、前/后輪胎半徑、輪胎中心與軸承中心的偏距及軸承與轉向節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，影響其結構設計、滾動體尺寸選擇及壽命的計算。逆向開發輪轂軸承單元時的原始輸入則是針對前裝件內外部尺寸的測量。其中，外部尺寸主要測量其內徑、外徑、單元寬度及法蘭盤配合尺寸等參數；內部尺寸測量則需要在解剖前裝輪轂軸承單元后進行，包括滾動體直徑和內外溝道直徑等。這就要求供應商至少需要準備2個原廠件作為參考來進行輪轂軸承單元的逆向開發。從材料選用和尺寸設計角度來說，供應商在逆向開發時必須要盡可能地保證軸承內徑、單元寬度、法蘭盤孔直徑及圓周直徑等配合尺寸和前裝件一致，其余尺寸的設計和材料的選用則可以根據客戶對產品的壽命需求、現有的供應商體系、材料規格及設計經驗進行相應的調整。

2）從輪轂軸承單元的受力分析和樣件試制的角度來說，正向開發和逆向開發的區別相對較小，卻也非常關鍵。受力分析一般都是依據有限元分析軟件進行，正向開發在進行受力分析時，其受力輸入是主機廠提供的載荷數據。而逆向開發時的受力分析則是按照經驗載荷值進行校核，因此會存在一定的偏差。樣件試制的區別根源主要在供應商本身的生產能力、經驗能力、工藝水平及是否有主機廠的信息支撐。目前，輪轂軸承單元主軸固定小內圈的方法有螺母鎖定、外部壓裝及現在很常用也比較先進的搖碾鉚合3種技術。選用何種設計和生產工藝源于客戶需求的不同和供應商本身的能力差異。而密封失效是輪轂軸承最常見的失效現象之一，密封元件的選用和密封結構的設計也是產品質量的決定性因素。此外，目前常見的ABS輪速傳感器分為脈沖發生圈、磁性脈沖圈、被動傳感器及主動傳感器等，選用何種傳感器及能否保證傳感器信號的穩定性，都會影響樣件試制甚至零件量產后的產品水平和質量穩定性。

3）主機廠在正向開發過程中通常都會通過零件級和整車級等試驗來保證零件性能、壽命及與整車的匹配性。整車級路試更是主機廠最信賴和最直接的考核依據，用以考核輪轂軸承單元在各種環境、速度及路況下的耐久性能、密封性能及噪聲水平等。而逆向開發出于對成本的考慮，再加上試驗資源和開發周期等因素的制約，一般只進行相關的零件級試驗[4]。對于目前輪轂軸承單元的獨立售后市場，包括一些知名品牌在內的大部分輪轂軸承單元供應商，在逆向開發時通常只借鑒了正向開發零部件級的耐久性試驗、泥漿噴濺試驗及法蘭盤旋轉疲勞試驗這3個試驗項進行相關的性能驗證，而這3個試驗項的驗證過程和參數也與正向開發存在區別。正向開發輪轂軸承單元的主機廠供應商在進行這些試驗時所加載的載荷都是基于主機廠的原始輸入而計算獲得；而獨立售后市場的供應商則無法進行這種精確的操作，他們在試驗過程中的載荷加載在某種程度上是基于自己的經驗，或是和客戶商討確定，一般會低于前裝件的試驗載荷。此外，輪轂軸承單元在正向開發和逆向開發時設計壽命的不同也決定了他們進行耐久性等試驗時采用不同的要求和周期。

除了這3個試驗項之外，主機廠在正向開發輪轂軸承單元時，通常需要進行的零件級試驗項還包括密封氣密性能試驗、靜強度試驗、剛度試驗、軸承摩擦力矩試驗、微動磨損試驗、螺栓打滑試驗（也稱抗扭轉試驗）、螺栓壓出力試驗、抗沖擊試驗及耐腐蝕試驗甚至高速耐久試驗等。其中有些試驗項是逆向開發時所不需要的，比如微動磨損試驗，它是模擬整車物流過程中軸承由于路途顛簸和汽車自重引起軸承內部溝道撞擊失效而設置的，獨立售后市場配件基本不會存在整車運輸的過程，自然也就不再需要；再比如靜強度和剛度試驗，由于該試驗的考核內容與法蘭盤的材料性能及尺寸息息相關，且前裝輪轂軸承單元在正向開發時已經進行了該項試驗，因此，逆向開發輪轂軸承單元時只要保證了材料和尺寸與前裝件的匹配性，理論上也可以不進行該項試驗。但是，在除去這些在逆向開發時可以不進行的試驗項之外，作為負責任的獨立售后品牌，建議最好再加上軸承摩擦力矩試驗、螺栓牢固性試驗及抗沖擊性能試驗。摩擦力矩較小的輪轂軸承單元有助于降低油耗，同時也從某個程度上反映了輪轂軸承單元的預緊力水平和密封性能，因此，摩擦力矩試驗在逆向開發輪轂軸承單元時還是有必要進行的；法蘭盤螺栓的牢固性是保證輪轂軸承單元與制動盤或輪轂能穩定連接的關鍵零件，這也是選擇螺栓時對其性能等級有要求的原因之一，因此，包括螺栓抗扭轉試驗和壓出力試驗在內的螺栓牢固性能試驗是輪轂軸承單元安全件所需要的；抗沖擊性能試驗則是模擬汽車行駛時車輪撞到路肩時的工況，是考核輪轂軸承單元法蘭盤在撞擊路肩時的破壞情況，是汽車撞擊時車主安全的保障之一。

4）無論是正向開發還是逆向開發，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商會同時擁有這2類業務。

表1 輪轂軸承單元常見材料

通常，輪轂軸承單元供應商的自制子零件只有帶凸緣的法蘭盤和小內圈2類，其關鍵工藝在于熱處理和磨加工。熱處理主要包括整體淬火、溝道感應淬火及退火，每個供應商在熱處理的溫度和時間控制方面都可能會有細微的差別，但是對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，一般都會有車加工、溝道精磨及溝道超精磨。其中，很多供應商都會在溝道超精磨加工時將內外圈進行組合磨加工，以保證其配合和游隙尺寸。此外，大型的前裝供應商一般會在探傷方面執行得更加嚴格，基本上在生產線上會對所有法蘭盤進行探傷，而大部分獨立售后市場供應商則可能只會進行抽檢探傷。

3 結論

文章從汽車輪轂軸承單元的作用和結構切入，主要從汽車輪轂軸承單元的開發流程、關鍵生產工藝、所使用的材料和標準及零件試驗驗證等角度詳述并分析了逆向開發和正向開發汽車輪轂軸承單元的差異?？偨Y出，正向開發的輪轂軸承單元的開發流程更完善、更合理，試驗驗證也更加全面，但是相應的開發周期更長，成本也更高，主要用于整車裝配或者4S店維修體系；而逆向開發的輪轂軸承單元開發流程相對簡單，試驗驗證相對精簡，所需要的開發周期和成本也較低，更多地適用于出口貿易和國內的汽配城及維修店等汽車獨立售后市場。車主在理解汽車輪轂軸承單元的關鍵性能和質量因素之后，就能更好地根據自己的實際需要和預算去選擇合適的輪轂軸承單元。同時，文章也為汽車輪轂軸承單元生產商更合理、更規范地進行輪轂軸承單元的逆向開發提供了一定的參考。