SKF二代卡車輪轂軸承單元技術發展動態

張利斌，金荃，郭濤，尤根·艾瑞克

(1.斯凱孚(上海)汽車技術有限公司，上海 201814; 2. 斯凱孚(中國)銷售有限公司，上海 201814；3.斯凱孚(德國)有限公司， 施維因富特 97421)

隨著我國基建、物流、交通等產業的快速發展，運輸行業競爭日趨激烈。同時，圍繞商用車電動化、物聯化、智能化、共享化的發展趨勢，對車輛的要求也越來越高。

輪轂軸承作為卡車車橋的核心零部件，其可靠性決定了整車的安全性。目前，關于輪轂軸承的研究大多針對乘用車輪轂軸承，卡車輪轂軸承的研究較少[1-2]。在此介紹SKF二代卡車輪轂軸承單元，展望其在助力中國商用車高端化方面的潛力，以更好滿足用戶需求。

1 卡車輪轂軸承單元發展歷程

傳統卡車輪轂軸承通常使用2套單列圓錐滾子軸承，如圖1所示，可以承受軸、徑向聯合載荷[3-5]。該輪轂軸承需在客戶端壓裝密封和注入潤滑油脂，且車橋裝配復雜，軸承最佳工作游隙難以實現，最終導致車橋性能差，維修周期短，運行成本高。

圖1 傳統卡車輪轂軸承結構Fig.1 Structure of traditional truck hub bearing

針對傳統輪轂軸承結構的缺點，根據歐洲市場應用工況，SKF率先提出卡車輪轂軸承單元，發展主要經歷了2代。國內車橋使用的SKF輪轂軸承單元多為第一代，第二代主要在歐洲市場使用。

第一代卡車輪轂軸承單元可以應用于驅動橋和非驅動橋，結構如圖2所示。輪轂軸承單元出廠時預調游隙，密封與軸承集成化設計，易安裝，免維護，保證了軸承可靠運轉所需的清潔度，提高了軸承使用壽命；但第一代輪轂軸承單元出廠時為正游隙，安裝后軸承可能處于正游隙或預緊狀態，無法保證軸承壽命最佳。

圖2 第一代卡車輪轂軸承單元Fig.2 First-generation truck hub bearing unit

第二代卡車輪轂軸承單元通常應用于非驅動橋，結構如圖3所示。輪轂和軸承外圈一體化設計，消除了其他零件對軸承游隙的影響，實現軸承出廠時即為最佳預緊狀態。第二代輪轂軸承單元無需壓裝，外圈通過螺栓與其他零件連接，同時也可以實現ABS齒圈和輪轂軸承單元一體化設計，集成度更高，結構緊湊。

圖3 第二代卡車輪轂軸承單元Fig.3 Second-generation truck hub bearing unit

2 卡車輪轂軸承發展趨勢

隨著國內卡車車橋的升級換代以及高端化發展趨勢，對輪轂軸承提出了新的要求。國內卡車輪轂軸承的發展趨勢主要集中在以下幾個方面：

1)長壽命。輪轂軸承作為車橋的核心零部件，其壽命決定了整橋的壽命。市場對于公路車尤其是牽引車車橋要求的免維護周期已從50×104km提升至150×104km。為了達到長壽命的要求，需消除可能降低軸承壽命的潛在因素，如游隙變化，潤滑脂污染，密封損壞等。

2)輕量化。為降低卡車油耗，提升車輛動力性能，車橋的輕量化越來越受到主機廠的關注。車橋輪端的輕量化除了部分零件材料輕量化外，對于軸承的要求更多的是結構優化。緊湊的輪轂軸承單元可減少與之配合的零件尺寸，從而降低整橋質量。

3)低摩擦。隨著發動機排放標準的提高以及商用車電動化的趨勢，未來輪轂軸承在滿足長壽命要求外會更加注重低摩擦技術。通過優化軸承內部設計參數，開發低摩擦潤滑脂等，可實現低摩擦。

結合上述發展趨勢，卡車輪轂軸承單元將逐步取代傳統軸承方案，第二代卡車輪轂軸承單元在非驅動橋的應用會越來越廣泛。下文將以SKF二代卡車輪轂軸承單元為例，分析其長壽命技術及結構疲勞仿真分析與可靠性試驗技術。

3 SKF二代卡車輪轂軸承單元長壽命技術

3.1 高載荷容量滾子組件設計

SKF二代卡車輪轂軸承單元應用于非驅動車橋時，取消了輪轂設計，外圈通過凸緣螺紋與剎車盤和轉接盤連接，與第一代輪轂軸承單元相比，無需考慮運轉過程中軸承外圈跑圈。同時，增大了徑向空間，可以選擇更大載荷容量的滾子組件，提高軸承壽命。

第一代輪轂軸承單元通常使用對稱滾子組件設計，第二代輪轂軸承單元可以設計成兩列不同載荷容量的滾子組件，優化了軸承受載情況，軸承壽命提高。

相同公差等級的第一代和第二代卡車輪轂軸承單元，后者載荷容量提高了約30%，軸承壽命提高了2.5倍以上。

3.2 軸承游隙控制

卡車輪轂軸承壽命與工作游隙密切相關：游隙過大，受載滾子數減少，且滾子從非承載區進入承載區時有可能出現擦傷，降低軸承壽命；游隙過小，滾子與滾道摩擦力矩增大，溫升高，可能會使軸承燒傷失效。

考慮到輪端系統剛性和軸承壽命要求，工作游隙范圍窄且為負游隙(預緊)時軸承工作狀態最佳。傳統卡車輪轂軸承由于調整難度大，通常處于正游隙狀態，第一代輪轂軸承單元與輪轂配合復雜，預緊控制困難。SKF二代輪轂軸承單元消除了外圈與輪轂配合誤差的影響，通過控制內外圈磨削和采用選配技術，可以有效減小軸承游隙范圍，確保軸承工作狀態最佳，從而提高軸承壽命。

傳統輪轂軸承均為正游隙狀態，游隙約為 0.15 mm，第一代輪轂軸承單元游隙可以控制在-0.20～+0.05 mm，第二代輪轂軸承單元游隙可以控制在-0.10～0 mm。

3.3 軸承滾道輪廓修形

卡車運行工況惡劣，輪轂軸承受載時滾道變形，接觸區會出現邊緣應力集中現象[6]，引起軸承早期失效。滾道輪廓采用圓弧修形可以在一定程度上減緩局部高應力(圖4)，但無法從根本上消除。SKF二代輪轂軸承單元內圈滾道和滾子均采用對數修形，可以完全消除邊緣應力(圖5)，軸承在重載或偏載時滾子和滾道接觸區應力分布均勻，提高了軸承壽命。

圖4 圓弧修形內圈滾道接觸應力Fig.4 Inner ring raceway contact pressure for crowned profile

圖5 對數修形內圈滾道接觸應力Fig.5 Inner ring raceway contact pressure for logarithmic profile

3.4 小結

SKF二代輪轂軸承單元通過設計高載荷容量滾子組件，控制軸承游隙，滾子和滾道輪廓采用對數修形技術，軸承設計壽命達到300×104km，滿足了長壽命需求。

4 SKF二代卡車輪轂軸承結構疲勞仿真與可靠性試驗技術

4.1 結構疲勞仿真技術

SKF二代卡車輪轂軸承外圈材料為中碳鋼，滾道表面采用感應淬火，既能保證軸承滾動接觸疲勞強度和耐磨性，又能使外圈具有一定韌性，抗沖擊能力強。SKF二代輪轂軸承外圈旋轉時凸緣部位承受彎曲載荷，存在疲勞斷裂的風險，影響車輛運行安全，需建立有限元模型和輸入合適邊界條件計算外圈疲勞應力并對結構進行優化。

基于ANSYS軟件，建模時僅保留外圈，其他零件如轉接盤、螺栓、剎車盤、輪輞及車輪螺栓等模型均需與實際保持一致，如圖6所示。分析時將輪輞固定，沿外圈滾道整周施加滾子載荷(滾子載荷通過SKF內部專業軟件根據車輛參數和工況計算)，如圖7所示。轉接盤螺栓和車輪螺栓預緊力也需輸入計算模型，計算可得外圈凸緣、圓柱及螺栓孔等部位結構應力，如圖8所示。

圖6 SKF二代輪轂軸承單元有限元模型Fig.6 Finite element model of SKF second-generation hub bearing unit

圖7 加載示意圖Fig.7 Loading diagram

圖8 SKF二代輪轂軸承單元應力云圖Fig.8 Stress nephogram of SKF second-generation hub bearing unit

SKF經過多年探索并結合市場數據，建立了一整套二代卡車輪轂軸承外圈結構應力接受準則。若解析結果不滿足要求，外圈結構需進一步優化，同時，解析結果可為軸承外圈滾道輪廓修形提供參考。

4.2 結構疲勞可靠性試驗

傳統卡車輪轂軸承或第一代輪轂軸承單元需要與鑄造輪轂配合使用，輪轂材質為球墨鑄鐵。客戶通常僅完成輪轂與軸承壓裝，未對輪轂進行疲勞試驗。

SKF結合內部臺架設計，針對不同噸位的卡車轉向前橋制定了相應的結構疲勞可靠性試驗載荷譜：當額定軸荷小于5 t時，最大試驗載荷應不超過0.65g(g取9.8 m/s2,下同)；當額定軸荷為5～10 t時，最大試驗載荷應不超過0.5g。通過強化試驗測試SKF二代輪轂軸承是否發生結構疲勞失效。

4.3 小結

通過結構疲勞仿真分析與可靠性試驗技術，可以確保SKF二代卡車輪轂軸承單元的設計可靠性。產品可靠性除了考慮更高安全系數的冗余設計外，還要考慮如何裝配和使用[4]。與第一代卡車輪轂軸承單元相比，第二代輪轂軸承單元車橋在剎車系統定期維護時無需拆卸軸承。連接螺栓拆除后剎車盤可直接脫出，也在一定程度上提高了整個輪端系統的使用可靠性。

5 展望

SKF二代卡車輪轂軸承單元還將從以下方面加強技術研發，助力中國商用車行業高端化：

1)輪輞直連二代輪轂軸承單元(圖9)。SKF二代卡車輪轂軸承單元外圈的凸緣設計，為實現輪轂軸承與剎車盤和輪輞直接連接提供了可能，提出了輪輞直連二代輪轂軸承單元設計概念。該設計將使卡車輪端系統具有與乘用車相同的特點，大幅降低整橋質量，增加轉向靈活性，提升車輛動力性能。

2)低摩擦二代輪轂軸承單元。在保證軸承壽命的同時，通過優化內圈結構，減少滾子數量，改善內圈擋邊與滾子接觸點位置，提高滾子、內外圈滾道和內圈擋邊加工精度等方式降低軸承摩擦力矩。除此之外，改進密封唇口設計，適當降低徑向主唇口抱緊力，降低潤滑脂基礎油黏度等，也可以降低卡車輪轂軸承單元摩擦力矩。

圖9 輪輞直連二代卡車輪轂軸承設計概念Fig.9 Design concept of second-generation hub bearing for truck with direct rim connection

對于新能源卡車，輪轂軸承摩擦力矩需進一步降低。考慮軸承長壽命的設計要求，未來二代卡車輪轂軸承降低摩擦力矩的重點在于密封。通過密封結構改進，有可能進一步降低摩擦力矩。

3)智能二代輪轂軸承單元。現有SKF二代卡車輪轂單元集成了ABS齒圈，可以采集車速信號，確保車輛行駛安全。未來將搭載狀態監測傳感系統和故障診斷預警系統，通過實時采集軸承運轉過程中的狀態信息(載荷、力矩、振動、溫度等)為自動駕駛技術提供技術支持，同時預防事故的發生。

4)驅動橋二代輪轂軸承單元。隨機動車安全技術法規的實施，盤式制動器應用越來越多， SKF二代卡車輪轂軸承應用于盤式制動的優勢將進一步體現。適用于驅動橋的二代卡車輪轂軸承單元，可將其應用的車橋額定軸荷提升至13 t以上。