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        SKF二代卡車輪轂軸承單元技術(shù)發(fā)展動態(tài)

        2022-06-08 02:20:34張利斌金荃郭濤尤根艾瑞克
        軸承 2022年4期
        關(guān)鍵詞:游隙車橋滾子

        張利斌,金荃,郭濤,尤根·艾瑞克

        (1.斯凱孚(上海)汽車技術(shù)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(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,運輸行業(yè)競爭日趨激烈。同時,圍繞商用車電動化、物聯(lián)化、智能化、共享化的發(fā)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(guān)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(fā)展歷程

        傳統(tǒng)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(lián)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(fù)雜,軸承最佳工作游隙難以實現(xiàn),最終導(dǎo)致車橋性能差,維修周期短,運行成本高。

        圖1 傳統(tǒng)卡車輪轂軸承結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of traditional truck hub bearing

        針對傳統(tǒng)輪轂軸承結(jié)構(gòu)的缺點,根據(jù)歐洲市場應(yīng)用工況,SKF率先提出卡車輪轂軸承單元,發(fā)展主要經(jīng)歷了2代。國內(nèi)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(yīng)用于驅(qū)動橋和非驅(qū)動橋,結(jié)構(gòu)如圖2所示。輪轂軸承單元出廠時預(yù)調(diào)游隙,密封與軸承集成化設(shè)計,易安裝,免維護(hù),保證了軸承可靠運轉(zhuǎn)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(yù)緊狀態(tài),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(yīng)用于非驅(qū)動橋,結(jié)構(gòu)如圖3所示。輪轂和軸承外圈一體化設(shè)計,消除了其他零件對軸承游隙的影響,實現(xiàn)軸承出廠時即為最佳預(yù)緊狀態(tài)。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(xiàn)ABS齒圈和輪轂軸承單元一體化設(shè)計,集成度更高,結(jié)構(gòu)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(fā)展趨勢

        隨著國內(nèi)卡車車橋的升級換代以及高端化發(fā)展趨勢,對輪轂軸承提出了新的要求。國內(nèi)卡車輪轂軸承的發(fā)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(hù)周期已從50×104km提升至150×104km。為了達(dá)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(guān)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(jié)構(gòu)優(yōu)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(zhì)量。

        3)低摩擦。隨著發(fā)動機排放標(biāo)準(zhǔn)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(shù)。通過優(yōu)化軸承內(nèi)部設(shè)計參數(shù),開發(fā)低摩擦潤滑脂等,可實現(xiàn)低摩擦。

        結(jié)合上述發(fā)展趨勢,卡車輪轂軸承單元將逐步取代傳統(tǒng)軸承方案,第二代卡車輪轂軸承單元在非驅(qū)動橋的應(yīng)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(shù)及結(jié)構(gòu)疲勞仿真分析與可靠性試驗技術(shù)。

        3 SKF二代卡車輪轂軸承單元長壽命技術(shù)

        3.1 高載荷容量滾子組件設(shè)計

        SKF二代卡車輪轂軸承單元應(yīng)用于非驅(qū)動車橋時,取消了輪轂設(shè)計,外圈通過凸緣螺紋與剎車盤和轉(zhuǎn)接盤連接,與第一代輪轂軸承單元相比,無需考慮運轉(zhuǎn)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(shè)計,第二代輪轂軸承單元可以設(shè)計成兩列不同載荷容量的滾子組件,優(yōu)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(guān):游隙過大,受載滾子數(shù)減少,且滾子從非承載區(qū)進(jìn)入承載區(qū)時有可能出現(xiàn)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(tǒng)剛性和軸承壽命要求,工作游隙范圍窄且為負(fù)游隙(預(yù)緊)時軸承工作狀態(tài)最佳。傳統(tǒng)卡車輪轂軸承由于調(diào)整難度大,通常處于正游隙狀態(tài),第一代輪轂軸承單元與輪轂配合復(fù)雜,預(yù)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(nèi)外圈磨削和采用選配技術(shù),可以有效減小軸承游隙范圍,確保軸承工作狀態(tài)最佳,從而提高軸承壽命。

        傳統(tǒng)輪轂軸承均為正游隙狀態(tài),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(qū)會出現(xiàn)邊緣應(yīng)力集中現(xiàn)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(yīng)力(圖4),但無法從根本上消除。SKF二代輪轂軸承單元內(nèi)圈滾道和滾子均采用對數(shù)修形,可以完全消除邊緣應(yīng)力(圖5),軸承在重載或偏載時滾子和滾道接觸區(qū)應(yīng)力分布均勻,提高了軸承壽命。

        圖4 圓弧修形內(nèi)圈滾道接觸應(yīng)力Fig.4 Inner ring raceway contact pressure for crowned profile

        圖5 對數(shù)修形內(nèi)圈滾道接觸應(yīng)力Fig.5 Inner ring raceway contact pressure for logarithmic profile

        3.4 小結(jié)

        SKF二代輪轂軸承單元通過設(shè)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(shù)修形技術(shù),軸承設(shè)計壽命達(dá)到300×104km,滿足了長壽命需求。

        4 SKF二代卡車輪轂軸承結(jié)構(gòu)疲勞仿真與可靠性試驗技術(shù)

        4.1 結(jié)構(gòu)疲勞仿真技術(shù)

        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(yīng)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(zhuǎn)時凸緣部位承受彎曲載荷,存在疲勞斷裂的風(fēng)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(yīng)力并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

        基于ANSYS軟件,建模時僅保留外圈,其他零件如轉(zhuǎn)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(nèi)部專業(yè)軟件根據(jù)車輛參數(shù)和工況計算),如圖7所示。轉(zhuǎn)接盤螺栓和車輪螺栓預(yù)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(jié)構(gòu)應(yīng)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(yīng)力云圖Fig.8 Stress nephogram of SKF second-generation hub bearing unit

        SKF經(jīng)過多年探索并結(jié)合市場數(shù)據(jù),建立了一整套二代卡車輪轂軸承外圈結(jié)構(gòu)應(yīng)力接受準(zhǔn)則。若解析結(jié)果不滿足要求,外圈結(jié)構(gòu)需進(jìn)一步優(yōu)化,同時,解析結(jié)果可為軸承外圈滾道輪廓修形提供參考。

        4.2 結(jié)構(gòu)疲勞可靠性試驗

        傳統(tǒng)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(zhì)為球墨鑄鐵??蛻敉ǔH完成輪轂與軸承壓裝,未對輪轂進(jìn)行疲勞試驗。

        SKF結(jié)合內(nèi)部臺架設(shè)計,針對不同噸位的卡車轉(zhuǎn)向前橋制定了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)疲勞可靠性試驗載荷譜:當(dāng)額定軸荷小于5 t時,最大試驗載荷應(yīng)不超過0.65g(g取9.8 m/s2,下同);當(dāng)額定軸荷為5~10 t時,最大試驗載荷應(yīng)不超過0.5g。通過強化試驗測試SKF二代輪轂軸承是否發(fā)生結(jié)構(gòu)疲勞失效。

        4.3 小結(jié)

        通過結(jié)構(gòu)疲勞仿真分析與可靠性試驗技術(shù),可以確保SKF二代卡車輪轂軸承單元的設(shè)計可靠性。產(chǎn)品可靠性除了考慮更高安全系數(shù)的冗余設(shè)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(tǒng)定期維護(hù)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(tǒng)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(shù)研發(fā),助力中國商用車行業(yè)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(shè)計,為實現(xiàn)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(shè)計概念。該設(shè)計將使卡車輪端系統(tǒng)具有與乘用車相同的特點,大幅降低整橋質(zhì)量,增加轉(zhuǎn)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(yōu)化內(nèi)圈結(jié)構(gòu),減少滾子數(shù)量,改善內(nèi)圈擋邊與滾子接觸點位置,提高滾子、內(nèi)外圈滾道和內(nèi)圈擋邊加工精度等方式降低軸承摩擦力矩。除此之外,改進(jìn)密封唇口設(shè)計,適當(dāng)降低徑向主唇口抱緊力,降低潤滑脂基礎(chǔ)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(shè)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(jìn)一步降低。考慮軸承長壽命的設(shè)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(jié)構(gòu)改進(jìn),有可能進(jìn)一步降低摩擦力矩。

        3)智能二代輪轂軸承單元?,F(xiàn)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(tài)監(jiān)測傳感系統(tǒng)和故障診斷預(yù)警系統(tǒng),通過實時采集軸承運轉(zhuǎn)過程中的狀態(tài)信息(載荷、力矩、振動、溫度等)為自動駕駛技術(shù)提供技術(shù)支持,同時預(yù)防事故的發(fā)生。

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

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