汽车轮毂单列圆锥滚子轴承的优化设计研究

焦红兰

摘 要：汽车轮毂轴承多数采用的双列复合轴承和单列圆锥滚子轴承，双列复合轴承常用于小型汽车，免维护，结构略复杂，成本较高；卡车和大型客车普遍选用两只单列圆锥滚子轴承。除了轴承的制造加工过程、材料选用、润滑油的选用、使用工况等因素对轴承使用寿命有很大的影响外，轴承的前期结构参数设计同样不可忽略，轴承是承受运动负荷的零件。只有合理的匹配设计，才能具备高寿命的轴承。本文重点研究单列圆锥滚子轴承设计过程中的要点以及轴承在使用工况下的接触性能分析。

关键词：轮毂轴承 圆锥滚子 轴承 匹配设计

中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）03（a）-0109-02

汽车轮毂圆锥滚子轴承安装在汽车轮边轮毂内侧，支撑在半轴套管上。一般单轮边采用2只，背靠式的组合。润滑方式通常为润滑脂形式，轮毂两端安装油封密封。近些年的售后失效故障也频发，主要故障表现有：点蚀、磨损、小挡边断裂等，原因不仅有润滑脂选择不当、油封密封不严造成轴承运转过程过热、材料选择问题等等，而且有一部分原因体现在产品选型和设计开发过程中的问题，如为追求动载荷过大，滚子数量选择过多；大小挡边结构设计不合理等，本文重点介绍单列圆锥滚子轴承在设计过程中的一些步骤及注意事项。

1 单列圆锥滚子轴承几何形状和结构特点

圆锥滚子轴承主要由内圈、外圈、滚子以及保持架组成，几何形状见图1。圆锥滚子轴承有以下特点。

（1）圆锥滚子的内圈滚道、外圈滚道以及滚子的母线沿长线应与旋转轴线相交一点，便于滚子沿着滚道的每点作纯滚动运动。

（2）圆锥滚子轴承的内外圈滚道是有倾斜角的，使轴承具备了承受轴向载荷和径向载荷的能力。外滚道和中心线角度大小与承受轴向载荷和径向载荷的能力有着密切的关系，内外圈的滚道与滚子之间的线接触使其具备很高的承载能力。这个特点在很多的场合得到了应用，尤其汽车车桥，如：汽车轮毂轴承、主减速器轴承、差速器轴承等。内外圈滚道和滚子的锥度不仅保证了滚子纯滚动，而且会在运转中将滚子推向内圈滚道的大挡边，对滚子进行引导，确保滚子受内圈大挡边的定位作用。

（3）对于确定了设计参数的圆锥滚子轴承，外圈、内圈和滚子组合件可以在同型号规格轴承的外圈或内圈和滚子的组合件实现互换，便于汽车生产的批量装配。

（4）圆锥滚子轴承的外圈和内圈是可分离的，在汽车生产线装配和售后维修保养过程中，拆卸非常方便。

（5）可根据实际装配结构特点，对圆锥滚子轴承施加合适的载荷，以便对游隙大小的调节，游隙调节比较方便。

圆锥滚子轴承具备了很多特点，应用很广泛。主要应用于机床、铁路、汽车等行业，如汽车主减速器轴承、差速器轴承、汽车轮毂轴承等。

2 单列圆锥滚子轴承的基本设计步骤

圆锥滚子轴承实际应用中，滚子与内外圈的滚道持续的接触，为满足使用命，内圈、外圈、滚子和保持架四个零件都需有一定的强度。滚子数量增多，会提高额定动载荷，但会影响保持架一些部位变窄，导致保持架强度不够而失效；由于内圈和轴的配合多数采用的过盈配合，在装配过程中，小挡边也能够承受轻微的敲打，滚子长度增大，会存在小挡边断裂的风险，发生早期破损；在主参数内径、外径、装配高确定后，滚动体增大，会使内外圈的壁厚变薄，强度不够，影响使用寿命。所以合理地选择圆锥滚子轴承的主参数和结构设计参数是轴承在前期设计过程中尤为重要，对圆锥滚子轴承最终的性能、承载能力、寿命等影响很大。在结构合理的原则下，获得较高的基本额定静载荷和基本额定动载荷，是轴承产品设计中的主要任务。在进行设计时，设计分析和计算的步骤如下。

（1）了解轴承使用工况，如：轴承转速、载荷大小和受力、润滑方式等使用工况进行合理分析。

（2）选择适合使用工况的轴承结构型式。

（3）确定轴承的内径、外径、装配高度、内圈宽度、外圈宽度、外圈滚道小端直径、接触角、与汽车轮毂配合的外圈倒角，与轴配合的内圈倒角等外形尺寸。

（4）确定滚子直径、滚子母线有效长度、滚子数量、内圈大挡边厚度、滚子的半锥角、小挡边厚度等主参数尺寸。

（5）根据外形尺寸和主参数尺寸，绘制出产品布置图纸。

（6）判断轴承结构是否合理及计算基本额定静动载荷。

（7）根据确定的圆锥滚子轴承的主参数，对轴承寿命进行估算，以满足轴承的使用寿命要求。

（8）完成圆锥滚子轴承大挡边形状、内圈油沟槽等结构的设计参数计算和分析。

（9）绘制最终内圈、外圈、滚子及保持架的产品图纸，完成设计。

3 汽车轮毂圆锥滚子轴承设计的注意事项

过去轴承行业的圆锥滚子轴承沿用七八十年代的经验类比设计，方法较落后，产品水平低、性能差，已无法满足汽车高转速、低扭矩等使用工况，针对汽车轮毂使用的单列圆锥滚子轴承，需要借助于计算机有限元分析法等手段，逐步进行结构优化，单列圆锥滚子轴承的系列设计发展至今，在性能和精度上提高新的一个台阶，重点三方面如下。

（1）内圈大挡边和滚子大端面的接触。

在以往的设计中，内圈大挡边采用的圆弧形，且和滚子大端面的球基面曲率相同，很难产生流体动力润滑，易形成混合摩擦。需要进行跑合过程。跑合过程中需要时间的磨合，还存在故障失效的风险。磨损下来的微小颗粒物将会污染润滑剂，加速轴承的磨损。在承受重负荷的内外圈滚道上产生压痕凹坑导致过早疲劳。加剧磨损进程，会引起高热运转，磨损过度甚至出现咬死的风险。

通过优化设计，把弧挡边改为锥挡边，滚子球基面半径r等于0.95倍的弧挡边半径，同时滚子球基面在内圈大挡边的中间部位接触，以便于取得楔形润滑油膜，改善滚子和内圈大挡边的润滑状态，实现低摩擦、低温、低摩擦磨损运转，很好降低过热运转等失效故障，提高轴承的使用的可靠性。

（2）内外圈的滚道和滚子接触。

通过有限元CAE分析，得出单列圆锥滚子轴承采用内外圈滚道和滚子带凸度的方法可以降低边缘应力，如（图2）有凸度的轴承和标准轴承的应力对比：在（图2）里的b和d是采用的带有凸度的圆锥滚子轴承，a和c是标准圆锥滚子轴承，从应力图中，可以看出带有凸度的圆锥滚子轴承很明显的降低了边缘应力，不管轻负荷和重负荷，其载荷分布都相对均匀，不呈现应力峰值。在滚子凸度设计中常利用对数母线修型设计，采用特殊的加工制造方法的凸度滚子圆锥轴承，经验证，得出效果还是挺不错的。

其次，除了对滚子和内外圈的滚道增加凸度值以外，对滚道和滚子的表面粗糙度也应相应提高，这样才能出现高寿命的轴承。

（3）滚子与保持架的接触。

保持架主要起到隔离滚子，使滚子相互之间保持一定的距离，防止两滚子之间接触干涉，且减少摩擦热；以及能够均匀的将滚子分布在轴承内圈上，能够降低振动和噪声。为了实现以上要求，冲压钢板保持架窗孔与滚子的接触表面适当设计了压坡，使滚子和保持架能够为很小的力就能够传递，且减少在接触区存留的外来微粒和滚子被划伤的危险。除了冲压保持架外，还有采用性能良好的注射塑料聚酰胺66保持架。聚酰胺材料具有在缺少润滑油的情况下，可起到固体润滑剂的作用，防止轴承咬死的失效故障。

4 结语

在我们设计汽车轮毂轴承的过程中，在追求最大额定动载荷的同时，需要考虑到国内现有的加工工艺水平，不同的生产厂家的工艺水平参差不齐。在产品开发设计时，尽量吸收最新的研究成果，结合轴承的具体使用工况，设计出最佳参数的轮毂单列圆锥滚子轴承，这本身就是一种优化过程，而不是一味地追求额定动载荷最大。

参考文献

[1] 刘惟信.汽车设计[M].北京：清华大学出版社，2007.endprint