SKF二代卡车轮毂轴承单元技术发展动态

张利斌，金荃，郭涛，尤根·艾瑞克

(1.斯凯孚(上海)汽车技术有限公司，上海 201814; 2. 斯凯孚(中国)销售有限公司，上海 201814；3.斯凯孚(德国)有限公司， 施维因富特 97421)

随着我国基建、物流、交通等产业的快速发展，运输行业竞争日趋激烈。同时，围绕商用车电动化、物联化、智能化、共享化的发展趋势，对车辆的要求也越来越高。

轮毂轴承作为卡车车桥的核心零部件，其可靠性决定了整车的安全性。目前，关于轮毂轴承的研究大多针对乘用车轮毂轴承，卡车轮毂轴承的研究较少[1-2]。在此介绍SKF二代卡车轮毂轴承单元，展望其在助力中国商用车高端化方面的潜力，以更好满足用户需求。

1 卡车轮毂轴承单元发展历程

传统卡车轮毂轴承通常使用2套单列圆锥滚子轴承，如图1所示，可以承受轴、径向联合载荷[3-5]。该轮毂轴承需在客户端压装密封和注入润滑油脂，且车桥装配复杂，轴承最佳工作游隙难以实现，最终导致车桥性能差，维修周期短，运行成本高。

图1 传统卡车轮毂轴承结构Fig.1 Structure of traditional truck hub bearing

针对传统轮毂轴承结构的缺点，根据欧洲市场应用工况，SKF率先提出卡车轮毂轴承单元，发展主要经历了2代。国内车桥使用的SKF轮毂轴承单元多为第一代，第二代主要在欧洲市场使用。

第一代卡车轮毂轴承单元可以应用于驱动桥和非驱动桥，结构如图2所示。轮毂轴承单元出厂时预调游隙，密封与轴承集成化设计，易安装，免维护，保证了轴承可靠运转所需的清洁度，提高了轴承使用寿命；但第一代轮毂轴承单元出厂时为正游隙，安装后轴承可能处于正游隙或预紧状态，无法保证轴承寿命最佳。

图2 第一代卡车轮毂轴承单元Fig.2 First-generation truck hub bearing unit

第二代卡车轮毂轴承单元通常应用于非驱动桥，结构如图3所示。轮毂和轴承外圈一体化设计，消除了其他零件对轴承游隙的影响，实现轴承出厂时即为最佳预紧状态。第二代轮毂轴承单元无需压装，外圈通过螺栓与其他零件连接，同时也可以实现ABS齿圈和轮毂轴承单元一体化设计，集成度更高，结构紧凑。

图3 第二代卡车轮毂轴承单元Fig.3 Second-generation truck hub bearing unit

2 卡车轮毂轴承发展趋势

随着国内卡车车桥的升级换代以及高端化发展趋势，对轮毂轴承提出了新的要求。国内卡车轮毂轴承的发展趋势主要集中在以下几个方面：

1)长寿命。轮毂轴承作为车桥的核心零部件，其寿命决定了整桥的寿命。市场对于公路车尤其是牵引车车桥要求的免维护周期已从50×104km提升至150×104km。为了达到长寿命的要求，需消除可能降低轴承寿命的潜在因素，如游隙变化，润滑脂污染，密封损坏等。

2)轻量化。为降低卡车油耗，提升车辆动力性能，车桥的轻量化越来越受到主机厂的关注。车桥轮端的轻量化除了部分零件材料轻量化外，对于轴承的要求更多的是结构优化。紧凑的轮毂轴承单元可减少与之配合的零件尺寸，从而降低整桥质量。

3)低摩擦。随着发动机排放标准的提高以及商用车电动化的趋势，未来轮毂轴承在满足长寿命要求外会更加注重低摩擦技术。通过优化轴承内部设计参数，开发低摩擦润滑脂等，可实现低摩擦。

结合上述发展趋势，卡车轮毂轴承单元将逐步取代传统轴承方案，第二代卡车轮毂轴承单元在非驱动桥的应用会越来越广泛。下文将以SKF二代卡车轮毂轴承单元为例，分析其长寿命技术及结构疲劳仿真分析与可靠性试验技术。

3 SKF二代卡车轮毂轴承单元长寿命技术

3.1 高载荷容量滚子组件设计

SKF二代卡车轮毂轴承单元应用于非驱动车桥时，取消了轮毂设计，外圈通过凸缘螺纹与刹车盘和转接盘连接，与第一代轮毂轴承单元相比，无需考虑运转过程中轴承外圈跑圈。同时，增大了径向空间，可以选择更大载荷容量的滚子组件，提高轴承寿命。

第一代轮毂轴承单元通常使用对称滚子组件设计，第二代轮毂轴承单元可以设计成两列不同载荷容量的滚子组件，优化了轴承受载情况，轴承寿命提高。

相同公差等级的第一代和第二代卡车轮毂轴承单元，后者载荷容量提高了约30%，轴承寿命提高了2.5倍以上。

3.2 轴承游隙控制

卡车轮毂轴承寿命与工作游隙密切相关：游隙过大，受载滚子数减少，且滚子从非承载区进入承载区时有可能出现擦伤，降低轴承寿命；游隙过小，滚子与滚道摩擦力矩增大，温升高，可能会使轴承烧伤失效。

考虑到轮端系统刚性和轴承寿命要求，工作游隙范围窄且为负游隙(预紧)时轴承工作状态最佳。传统卡车轮毂轴承由于调整难度大，通常处于正游隙状态，第一代轮毂轴承单元与轮毂配合复杂，预紧控制困难。SKF二代轮毂轴承单元消除了外圈与轮毂配合误差的影响，通过控制内外圈磨削和采用选配技术，可以有效减小轴承游隙范围，确保轴承工作状态最佳，从而提高轴承寿命。

传统轮毂轴承均为正游隙状态，游隙约为 0.15 mm，第一代轮毂轴承单元游隙可以控制在-0.20～+0.05 mm，第二代轮毂轴承单元游隙可以控制在-0.10～0 mm。

3.3 轴承滚道轮廓修形

卡车运行工况恶劣，轮毂轴承受载时滚道变形，接触区会出现边缘应力集中现象[6]，引起轴承早期失效。滚道轮廓采用圆弧修形可以在一定程度上减缓局部高应力(图4)，但无法从根本上消除。SKF二代轮毂轴承单元内圈滚道和滚子均采用对数修形，可以完全消除边缘应力(图5)，轴承在重载或偏载时滚子和滚道接触区应力分布均匀，提高了轴承寿命。

图4 圆弧修形内圈滚道接触应力Fig.4 Inner ring raceway contact pressure for crowned profile

图5 对数修形内圈滚道接触应力Fig.5 Inner ring raceway contact pressure for logarithmic profile

3.4 小结

SKF二代轮毂轴承单元通过设计高载荷容量滚子组件，控制轴承游隙，滚子和滚道轮廓采用对数修形技术，轴承设计寿命达到300×104km，满足了长寿命需求。

4 SKF二代卡车轮毂轴承结构疲劳仿真与可靠性试验技术

4.1 结构疲劳仿真技术

SKF二代卡车轮毂轴承外圈材料为中碳钢，滚道表面采用感应淬火，既能保证轴承滚动接触疲劳强度和耐磨性，又能使外圈具有一定韧性，抗冲击能力强。SKF二代轮毂轴承外圈旋转时凸缘部位承受弯曲载荷，存在疲劳断裂的风险，影响车辆运行安全，需建立有限元模型和输入合适边界条件计算外圈疲劳应力并对结构进行优化。

基于ANSYS软件，建模时仅保留外圈，其他零件如转接盘、螺栓、刹车盘、轮辋及车轮螺栓等模型均需与实际保持一致，如图6所示。分析时将轮辋固定，沿外圈滚道整周施加滚子载荷(滚子载荷通过SKF内部专业软件根据车辆参数和工况计算)，如图7所示。转接盘螺栓和车轮螺栓预紧力也需输入计算模型，计算可得外圈凸缘、圆柱及螺栓孔等部位结构应力，如图8所示。

图6 SKF二代轮毂轴承单元有限元模型Fig.6 Finite element model of SKF second-generation hub bearing unit

图7 加载示意图Fig.7 Loading diagram

图8 SKF二代轮毂轴承单元应力云图Fig.8 Stress nephogram of SKF second-generation hub bearing unit

SKF经过多年探索并结合市场数据，建立了一整套二代卡车轮毂轴承外圈结构应力接受准则。若解析结果不满足要求，外圈结构需进一步优化，同时，解析结果可为轴承外圈滚道轮廓修形提供参考。

4.2 结构疲劳可靠性试验

传统卡车轮毂轴承或第一代轮毂轴承单元需要与铸造轮毂配合使用，轮毂材质为球墨铸铁。客户通常仅完成轮毂与轴承压装，未对轮毂进行疲劳试验。

SKF结合内部台架设计，针对不同吨位的卡车转向前桥制定了相应的结构疲劳可靠性试验载荷谱：当额定轴荷小于5 t时，最大试验载荷应不超过0.65g(g取9.8 m/s2,下同)；当额定轴荷为5～10 t时，最大试验载荷应不超过0.5g。通过强化试验测试SKF二代轮毂轴承是否发生结构疲劳失效。

4.3 小结

通过结构疲劳仿真分析与可靠性试验技术，可以确保SKF二代卡车轮毂轴承单元的设计可靠性。产品可靠性除了考虑更高安全系数的冗余设计外，还要考虑如何装配和使用[4]。与第一代卡车轮毂轴承单元相比，第二代轮毂轴承单元车桥在刹车系统定期维护时无需拆卸轴承。连接螺栓拆除后刹车盘可直接脱出，也在一定程度上提高了整个轮端系统的使用可靠性。

5 展望

SKF二代卡车轮毂轴承单元还将从以下方面加强技术研发，助力中国商用车行业高端化：

1)轮辋直连二代轮毂轴承单元(图9)。SKF二代卡车轮毂轴承单元外圈的凸缘设计，为实现轮毂轴承与刹车盘和轮辋直接连接提供了可能，提出了轮辋直连二代轮毂轴承单元设计概念。该设计将使卡车轮端系统具有与乘用车相同的特点，大幅降低整桥质量，增加转向灵活性，提升车辆动力性能。

2)低摩擦二代轮毂轴承单元。在保证轴承寿命的同时，通过优化内圈结构，减少滚子数量，改善内圈挡边与滚子接触点位置，提高滚子、内外圈滚道和内圈挡边加工精度等方式降低轴承摩擦力矩。除此之外，改进密封唇口设计，适当降低径向主唇口抱紧力，降低润滑脂基础油黏度等，也可以降低卡车轮毂轴承单元摩擦力矩。

图9 轮辋直连二代卡车轮毂轴承设计概念Fig.9 Design concept of second-generation hub bearing for truck with direct rim connection

对于新能源卡车，轮毂轴承摩擦力矩需进一步降低。考虑轴承长寿命的设计要求，未来二代卡车轮毂轴承降低摩擦力矩的重点在于密封。通过密封结构改进，有可能进一步降低摩擦力矩。

3)智能二代轮毂轴承单元。现有SKF二代卡车轮毂单元集成了ABS齿圈，可以采集车速信号，确保车辆行驶安全。未来将搭载状态监测传感系统和故障诊断预警系统，通过实时采集轴承运转过程中的状态信息(载荷、力矩、振动、温度等)为自动驾驶技术提供技术支持，同时预防事故的发生。

4)驱动桥二代轮毂轴承单元。随机动车安全技术法规的实施，盘式制动器应用越来越多， SKF二代卡车轮毂轴承应用于盘式制动的优势将进一步体现。适用于驱动桥的二代卡车轮毂轴承单元，可将其应用的车桥额定轴荷提升至13 t以上。