汽车轮毂轴承

轴承应用研究课题汽车轮毂轴承单元第1页共29页汽车轮毂轴承汽车轮毂轴承在现代汽车设计中一般划归为悬架系统或制动系统。因为从受力分析看，汽车轮毂轴承主要承受通过悬架系统传递而来的汽车的重量，但从装配关系看，汽车轮毂轴承主要与制动系统连接装配。同时，有些人也习惯将轮毂轴承划归传动系，因为轮毂轴承的功能之一就是为轮毂的转动提供精确的向导，尤其是第四代轮毂轴承开发成功以来，轮毂轴承与等速万向节构成一体，轮毂轴承与传动系的关系更为紧密。由于汽车轮毂轴承与汽车的三个系统相关，本篇就不再特意介绍每个系统，因为无论这几个系统有多少种类型，轮毂轴承都有其相对的独立性，并不因悬架系统、制动系统或传动系的类型的改变而结构改变，而且，轮毂轴承发展到今天，已经发展为集成化、小型化、组装工艺合理化及装配简便的轮毂轴承单元，其相对的独立性也就更大。一，汽车轮毂轴承的发展汽车轮毂轴承既承受径向载荷又承受轴向载荷，是一个非常重要的安全件。90年代中期以前，国内汽车大部分都是采用传统的两套单独的圆锥滚子轴承或者球轴承，如图一所示，这种结构是在汽车装配时进行调整游隙、预紧、添加润滑脂等，质量靠装配过程中诸多人为因素控制，装配难度较大，成本过高且可靠性较差，不利于当今激烈的市场竞争。近几年，随着前置前驱轿车的飞速发展，汽车轮毂轴承发生很大变化。因此开发了一种能解决上述问题的轴承单元，对其要求有以下几点：⑴不需要调整轴承组装间隙（过去选择间隔形式或按照力矩调整间隙）。⑵轴承组装工艺合理化。⑶轻量化和小型化。⑷提高可靠性。⑸降低整体成本。近几年，国内已逐渐开发应用了第一代和第二代轮毂轴承（球轴承），第三代目前正处于研发试制阶段。对轮毂轴承用圆锥滚子轴承，国内也基本处于传统结构的应用阶段。而在国外，轮毂用球轴承的开发已进入第四代，轮毂用圆锥滚子轴承的第二代也早已进入批量应用阶段。第一代是外圈整体型双列角接触球轴承、填入润滑脂、带密封的普通型轴承，如图二所示。这种结构的主要优点就是可靠、有效载荷间距短、易安装、无需调整、结构紧凑等。这种轴承单元在欧洲已达到相当的实用化阶段，目前轿车轿车轮毂轴承一代单元的装配量已达1600万套。我国引进的车型大多采用这种结构的轮毂轴承。轴承应用研究课题汽车轮毂轴承单元第2页共29页第二代轮毂轴承单元与第一代轮毂轴承单元相比，就是为了有利于与相配合结构连接装配，将转向节或轮毂与轴承套圈制成一体，也就是带法兰盘的轴承单元，如图三所示。目前，二代轮毂轴承单元的装机量已达500万套。第三代轮毂轴承单元（如图四所示）是把与轴承相配合的零件即轮毂、ABS传感器与轴承套圈制成整体化的型式，是继第二代又进一步发展的单元。典型结构就是大填球角、压配式内圈也带法兰盘：其两个套圈有一个法兰，外圈是一个刚性结构，因此可简化枢轴。由于旋转内圈的凸缘兼有轮毂的作用，因此取消了轮毂。对轴承用户来说，这意味着简化了轴承设计与安装，并可以减小重量和外形尺寸。由于套圈的刚性较高，轴承的几何形状基本不会发生变化。第三代轮毂轴承单元的应用是轮毂轴承研制的一大进步。由于它集中了其他零件的功能，已不再仅是一种轴承；而且从安全的角度来看，它也是一个关键部件，一旦损坏会引起严重的后果。轴承的特性、预调游隙、润滑脂和密封是第三代轴承的共同问题，而且对设计人员来说也是一个技术难题。这是结构与功能的重新组合，需要进行专门的研究。某些技术条件是很难达到的，轴承的滚道应是“硬性的”但结构应是弹性的，这就是说，损坏的形式应是由接触疲劳引起的一般剥落，而旋转凸缘不会发生任何挠曲疲劳。第三代轮毂轴承单元的装机量已达250万套。第四代轮毂轴承单元（如图五所示）的典型结构就是将等速万向节与轴承制成整体化，这种型式引人注目的是废除了轮毂花键轴，更加小型化以及使之安装更加合理的结构。目前第四代仅仅研制成功，实用化还有一些问题有待解决。轴承应用研究课题汽车轮毂轴承单元第3页共29页二，汽车轮毂轴承单元的装配关系汽车轮毂轴承单元的装配关系主要是与制动系统以及转向轴颈（或后轴分头）、轮毂等部件的装配关系。由于轮毂轴承单元发展至今已有很多种不同的结构，每一代轮毂轴承单元有不同的装配关系，而且驱动轮与非驱动轮的装配关系也有所区别。图六所示为普遍用轮毂轴承的典型装配关系图。内、外轮毂轴承3外圈与制动鼓5为紧配合，内圈与转向节轴颈（或后轴分头）也为紧配合。轮毂螺栓2通过花键与制动鼓接合并将外面的轮辋与制动鼓装配成一体。制动盘4与安装于制动盘上制动片以及其他制动器零部件6通过螺栓与转向轴颈（或后轴分头）1连接。当汽车行驶时，轮毂轴承3外圈跟随制动鼓5以及轮辋一起旋转，而内圈、转向轴颈（或后轴分头）1以及装配于之上的制动盘及其组件不旋转，从而保证制动时需要的各种条件。图六所示为非驱动轮普遍用轮毂轴承的典型装配关系图，驱动轮的变化在于内外轮毂轴承通过外圈与轮毂接合，轮毂通过螺栓与制动鼓、轮辋连接，同时轮毂通过内花键与驱动轴转向轴颈（或后轴分头）的外花键接合。同样，轮毂轴承的外圈与转向节（或后轴分头）连接，制动盘及其组件通过螺栓连接于转向节（或后轴分头）上。当汽车行驶时，驱动轴带动轮毂、轮毂轴承内圈、制动鼓以及轮辋旋转，而轮毂轴承外圈、转向节（或后轴分头）、制动盘及其组件保持静止。其运动结构恰恰与非驱动轮相反。图六所示结构在现代汽车上一般应用于非驱动轮，而驱动轮则为图七所示结构取代。图七所示为一代轮毂轴承单元在驱动轮结构中的装配关系简图。一代轮轴承应用研究课题汽车轮毂轴承单元第4页共29页毂轴承单元2内圈紧配合于轮毂6之上，轮毂6通过轮毂螺栓5与制动盘1（盘式制动器）轮辋连接。轮毂6通过花键与带花键传动轴的等速万向节4相连，同时通过螺母7轮毂6通过花键与带花键传动轴的等速万向节4在轴向得以固定。一代轮毂轴承单元2外圈通过转向节（或后轴分头）与悬架系统相连接。同图六所示结构工作原理类似，在汽车行驶时，带花键传动轴的等速万向节4带动轮毂6、一代轮毂轴承单元2内圈、制动盘1以及轮辋旋转，而一代轮毂轴承单元2外圈与转向节通过悬架系统保持静止。图七所示为一代轮毂轴承单元在驱动轮结构中的装配关系简图，一代轮毂轴承单元在非驱动轮结构中的装配关系如图八所示。一代轮毂轴承单元2外圈与轮毂4紧配合，轮毂4通过轮毂螺栓5与制动鼓6、轮辋1接合在一起。一代轮毂轴承单元2内圈通过等速万向节台肩以及等速万向节连接螺母3与等速万向节8连接，等速万向节再通过螺栓与制动盘及其制动器组件7连接在一起。当汽车行驶时，一代轮毂轴承单元2外圈、轮毂4、制动鼓6、轮辋被动旋转，而一代轮毂轴承单元2内圈、等速万向节8、制动盘及其制动器组件7保持静止。图八所示一代轮毂轴承单元在非驱动轮中的应用结构为外圈旋转，也有选择内圈旋转的，其结构大体类似，但在现代汽车中一般都采用外圈旋转型结构，在接下来的二代，三代中都如此。图九所示为二代轮毂轴承单元在驱动轮应用中的装配关系。其大体结构与图七所示一代轮毂轴承单元在驱动轮应用中类似，仅仅是轴承外圈6成为一个带法兰盘的变形外圈与转向节(或后轴分头)通过螺栓连接。图十所示为二代轮毂轴承单元在非驱动轮中外圈旋转的应用结构。轴承应用研究课题汽车轮毂轴承单元第5页共29页轴承应用研究课题汽车轮毂轴承单元第6页共29页图十一和图十二分别为三代轮毂轴承单元在驱动轮与非驱动轮中的应用结构。与二代轮毂轴承单元的最大区别在于三代轮毂轴承单元的内圈与轮毂合为一体与制动盘或制动鼓、轮辋接合，同时还有一个小内圈。图十三为四代轮毂轴承单元，与三代轮毂轴承单元的主要区别在于四代轮毂轴承单元将等速万向节与轮毂轴承单元内圈接合成一体。目前，四代轮毂轴承单元还没有得到实际应用。三，汽车轮毂轴承与制动系统的结合应用就汽车轮毂轴承而言，在装配关系上主要与制动系统连接，因此有时又将汽车轮毂轴承归类于汽车制动系统。汽车制动系统的功能是使行驶中的汽车减速甚至停止，使下坡行驶的汽车速度保持稳定，以及使已停止行驶的汽车保持静止不动。这三种功能分别对应为汽车行车制动系、辅助制动系以及驻车制动系，另外汽车还应有第二制动系，即在行车制动系失效的情况下，保证汽车仍能实现减速或停车的一套装置。在现代汽车法规中，这四种汽车制动系都是必备的。一，汽车制动系的工作原理一般制动系的工作原理可用图十四所示的一种简单的液压制动系（鼓式制动器）示意图来说明。一个以内圆面为工作表面的金属的制动鼓8固定在车轮轮毂上，随车轮一同旋转。在固定不动的制动底板11上，有两个支承销12，支承着两个弧形制动蹄10的下端。制动蹄的外圆面上装有摩擦片9。制动底板上还装有液压制动轮缸6，用油管5与装在车架的液压制动主缸4相连通。主缸活塞3可由驾驶员通过制动踏板机构来操纵。制动系不工作时，制动鼓8的内圆面与制动蹄摩擦片9的外圆面之间保持一定间隙，使车轮和制动鼓可以自由旋转。要使行驶中的汽车减速，驾驶员应踏下制动踏板1，通过推杆2和主缸活塞3，使主缸内的油液在一定压力下流入轮缸，并通过两个轮缸活塞7使两制动蹄绕支承销转动，上端向两边分开而以其摩擦片压紧在制动鼓的内圆面上。这样，不旋转的制动蹄就对旋转着的制动鼓作用一个摩擦力矩Mu，其方向与车轮旋转方向相反。制动鼓将该力矩Mu传到车轮后，由于车轮与路面间有附着作用，车轮对路面作用一个向前的周缘力Fu,同时路面也对车轮作用着一个一个向后的反作用力，即制动力Fb。制动力Fb经车桥和悬架传给车架与车身，迫使整个汽车产生一定的减速度。制动力越大，则汽车轴承应用研究课题汽车轮毂轴承单元第7页共29页减速度就越大。当放开制动踏板时，制动蹄回位弹簧即将制动蹄拉回原位，摩擦力矩Mu和制动力Fb消失，制动作用即行终止。图十四所示制动系中，主要由制动鼓8、带摩擦片9的制动蹄10构成对车轮施加制动力矩（即摩擦力矩Mu）以阻碍其装得的部件，称为制动器。由制动系的工作原理可以得知，任何制动系都具有以下几个基本部分：1，供能装置——包括供给、调节制动所需能量以及改善传能介质状态的各种部件。其中，产生制动能源的部分称为制动能源。，2，控制装置——包括产生制动动作和控制制动效果的各种部件。图十四中的制动踏板机构是最简单的一种控制装置。3，传动装置——包括将制动能量传输到制动器的各个部件，如图十四中的制动主缸4和制动轮缸6。4，制动器——产生阻碍车辆的运动或运动趋势的力（制动力）的部件，其中包括辅助制动系中的缓速装置。较为完善的制动系还具有制动力调节装置以及报警装置、压力保护装置等附加装置。二，制动器制动器是制动系中用以产生阻碍车辆的运动或运动趋势的力的部件。后一种指驻车制动系。除了竞赛汽车才装设的通过张开活动翼板以增加空气阻力的空气动力缓速装置以外，一般制动器都是通过其中的固定元件对旋转元件施加制动力矩，使后者的旋转角度降低，同时依靠车轮与路面的附着作用，产生路面对车轮的制动力使汽车减速。凡利用固定元件与旋转元件工作表面的摩擦产生制动力矩的制动器，都称为摩擦制动器。目前各种汽车所用的摩擦制动器可分为鼓式和盘式两大类。鼓式制动器的摩擦副的旋转元件为制动鼓，工作表面为圆柱面；盘式制动器的旋转元件则为圆盘状的制动盘，其端面为工作面。旋转元件固装在车轮或半轴上，即制动力矩直接分别作用两侧车轮的制动器称为车轮制动器。旋转元件固装在传动系的传动轴上，其制动力矩必须经过驱动桥再分配到两侧车轮上的制动器，则称为中央制动器。车轮制动器一般用作行车制动，也有兼用于第二制动（应急制动）和驻车制动。中央制动器一般只用于驻车制动和缓速制动。本篇主要讲用于行车制动的车轮制动器。1，鼓式制动器鼓式制动器有内张型和外束型两种。前者的制动鼓以内圆柱面为工作表面，在汽车上应用广泛；后者制动鼓的工作表面则是外圆柱面，目前只有少数汽车用作驻车制动器。内张型制动器都采用带摩擦片的制动蹄作为固定元件。位于制动鼓内部的制动蹄在一端承受促动力时，可绕其另一端的支点向外旋转，压靠在制动鼓内圆柱面上，产生摩擦力矩（制动力矩）。凡对蹄端加力使蹄转动的装置，统称为制动力促动装置。如图十五所示的制动器以液压制动轮缸作为制动蹄促动装置，所以称为轮缸式制动器。此外，还有用