汽车轴毂 轴承
圆锥滚子轴承广泛应用于汽车底盘，尤其是主减速器、差速器、轮毂部件。本文分析了应用于轮毂的圆锥滚子轴承。
汽车底盘传动系统：
发动机→离合器→变速器→传动轴→终减速器→差速器→半轴→轮毂。
1 个集线器轴承
1.1 轮毂结构
主减速器减速增大扭矩，差速器调整左右轮毂转速后，半轴一端通过花键与半轴齿轮连接，半轴另一端连接通过螺栓传递到轮毂，将扭矩传递给轮毂，轮毂和半轴同时旋转。参见图 1 和图 2。
图1 底盘传动系统示意图
1.2 车轮轴承
本文仅分析驱动桥轮毂轴承，转向桥轴承（见图3）另行讨论。
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轮毂轴承主要承受径向载荷，因此接触角不宜过大，外圈接触角α宜多选：12～17°。根据工作跨度，应背靠背安装两组圆锥滚子轴承（两个内圈的窄端面相对）。轴承外圈通过过盈配合压入轴承座孔中。轴承外圈随外壳孔旋转。轴承内圈通过过渡配合推入（压入）半轴套。轴承内圈和半轴衬套不旋转提供支撑。两个轴承在组装前都注入了锂基润滑脂或复合锂基润滑脂，注入的润滑脂量不超过轴承的2/3 有效空间避免轴承因散热不良引起的温升变色。通过调整螺母对轴承施加预紧力，使内组件与外圈紧密接触，接触点产生一定的弹性变形，接触面积增大，参与的滚动体数量增加力增大，使其大于180°，甚至360°范围内的滚动体受力。然后将调节螺母松开1/8～1/4螺距来调节轴向间隙。轴向游隙的调整非常关键。间隙过大会引起振动和噪音，导致轴承早期疲劳失效；死亡现象。为防止油脂泄漏，内外轴承必须用油封密封。
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图2 驱动桥结构
1.3 集线器轴承故障分析
由于设计、制造、安装、润滑、调试等原因，轮毂轴承在运行过程中会出现不同形式的故障模式。下面对常见的故障形式进行分析。
1.3.1 轮子 轴承 锁定；
车轮轴承抱死是恶性事故，后果很严重。
轴向间隙调整过小，导致轮毂轴承在运行中间隙消失，甚至发生干涉，轴承抱死。
安装过程中，由于某种原因，保持架变形或保持架窗孔倾斜过大，导致轮毂轴承运行时滚轮倾斜。滚子倾斜造成滑动摩擦，温度急剧升高，油膜被破坏，保持架扭曲断裂，轴承锁死。
润滑不充分或油脂变质也会引起温度急剧升高，就会出现上述现象。
轮毂壳孔与半轴套的同轴度会引起游隙的变化和滚子的倾斜。
轴承零件有裂纹，在运行过程中反复交变应力作用下，裂纹会扩展直至断裂，轴承被锁住。
1.3.2轮毂轴承变色；
轴承集线器轴承的颜色会随着运行过程中的温度变化而发生淡黄色、黄色、紫蓝色、蓝黑色的变化。一般情况下，轴承呈淡黄色即可继续使用。
高速时注入轮毂轴承的润滑脂量一般不超过轴承有效空间的1/3；枢纽
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轴承中速注入的润滑脂量一般不超过轴承有效空间的2/3；低速时在轮毂 轴承 处注入的润滑脂量可以填满 轴承 有效空间。轮毂轴承在高速和中速运转时可能会出现注脂过多、散热不良、温度升高、轴承变色等问题。
如果使用劣质润滑油脂，会造成润滑油脂变质、油水分离、腐蚀轴承。
轴向游隙小，温度升高（轴承正常工作温度不超过90°C）。
1.3.3 集线器轴承预载无法调整
卡车轮毂轴承一般按设计要求“背对背”安装两组圆锥滚子轴承。其中，外圈轴承内圈非装配倒角（轴承设计要求倒角可以为45°）成为装配倒角。在主机厂装配现场，会出现外轴承内圈压入无法缩回的现象，即预紧力无法调整（俗称预紧力） - 无法调整紧固力）。造成这种现象的原因如下：
装配方法不正确；采用套筒装配法轮毂轴承单元试验，套筒端面平整，锤击时受力不均，轴承以倾斜状进入半轴套。
配合公差出现在两个极端位置：轮毂 轴承 的外圈旋转，内圈静止。内圈与轴为过渡配合。当轴处于其最大极限尺寸且孔处于其最小极限尺寸时，可实现最大过盈量。
轴承内圈非装配倒角45°装配时，容易划伤轴，产生毛刺，增加过盈量。
解决方法：轴承内圈非装配倒角设计成R角；提高制程能力，配合公差尽量不要在极限位置；满足装配条件时，可采用热装或油压装配，套筒端部可设计成球形装配。
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1.3.4 运行中出现异响；
过大的轴向间隙会引起振动和噪音。
轴承工作表面的敲击、碰撞和刮擦破坏了油膜，因滑动摩擦而引起异响。
滚柱倾斜和保持架变形因滑动摩擦而引起异响。
清洁度差，杂物和颗粒影响轴承的正常工作，加剧轴承的磨损，同时产生噪音。
1.3.5 早期疲劳；
疲劳是 轴承 失败的主要形式，受许多因素影响。
钢的纯度是早期疲劳的主要原因之一。特别是钢中的非金属夹杂物和超标的氧含量严重影响轴承的寿命。
压力集中是早期疲劳的主要原因之一。应力集中主要发生在滚道和滚动体的表面以及内圈的大挡边上。
润滑不良是早期疲劳的主要原因之一。润滑不良不会形成油膜，产生滑动摩擦，温度升高导致轴承疲劳。
粗糙的表面不利于油膜的保存，摩擦力比较大。
清洁度差往往会导致 轴承 工作表面剥落。
解决办法：钢材符合GB/T的要求；内外圈滚道，滚动体表面只能凸出不能凹入，凸出值满足工艺要求；大挡边角度控制好，滚珠基面与大挡边接触位置正确；润滑良好轮毂轴承单元试验，润滑油脂符合要求；表面粗糙度和清洁度符合工艺和标准要求。
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图3 转向桥结构图
2 集线器 轴承 单元
轮毂轴承单元结构紧凑，安装方便，预紧，可靠性高，寿命长，无需补充润滑脂，内置高性能密封圈，可安装ABS防抱死制动系统等，目前已广泛应用于轿车和客车轮毂。商用车开始（国外广泛使用）。
2.1 第 1 代集线器 轴承 单元
将原来的两组离散角接触球轴承或圆锥滚子轴承组装成一组双列角接触球轴承或双列带整体外圈和背-内圈背对组合圆锥滚子轴承，初始游隙值可预先设定，自带密封圈。
类型代码含义
DAC 第 1 代双排角接触球 轴承 集线器 轴承 单元
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DU第一代双列圆锥滚子轴承轮毂轴承单元
第一代双列圆锥滚子轴承轮毂轴承单元见图4。
图4 第一代DU轮毂单元
2.2 第 2 代集线器 轴承 单元
在第一代轮毂轴承单元的基础上，外圈采用法兰连接，通过螺栓直接连接悬架（内圈旋转式），或安装在制动盘和钢圈上（外圈旋转式）。
类型代码含义
DAC F 第二代双排角接触球 轴承 轮毂轴承 单元
DU F 第二代双列圆锥滚子轴承轮毂轴承单元
第二代双列圆锥滚子轴承轮毂轴承单元见图5。
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图5 第二代DUF轮毂单元
2.3 第三代DUF轮毂单元
在第二代轮毂轴承单元的基础上进行了改进，比如内圈有一个法兰用于连接刹车盘和钢圈，还可以集成ABS传感器。
类型代码含义
DAC2 F 第三代双排角接触球轴承轮毂轴承单元
DU 2F 第三代双列圆锥滚子轴承轮毂轴承单元
第三代双列圆锥滚子轴承轮毂轴承单元如图6所示。
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图6 第三代DU2F轮毂单元
3 ABS防抱死制动系统工作原理
ABS防抱死制动系统的工作原理如图7所示（ABS不工作时）。1—踏板 2—主缸 3—液压元件 4—电动机 5—液压泵 6—油箱
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液体装置 7—线圈 8—柱塞 9—电磁阀 10—轮缸 11—车轮 12—轮速传感器 13—电控（ECU）
当ABS系统正常工作时，轮速传感器及时将换轮的速度信号发送给ABS计算机，计算机对信号进行分析后，向安装在液压调节器上的液压调节器发出制动压力控制指令。在制动系统中。制动总泵与制动分泵之间，接收到ABS电脑控制指令后，通过液压调节器（和液压泵）中双向电磁阀通路的变化，直接和间接地控制制动压力。制动器的增减可以调节制动器的制动力矩，防止制动轮抱死。
防抱死制动系统的制动过程分为四个过程：常规制动过程、分泵减压过程、分泵保压过程和分泵增压过程。
常规减压过程：ABS不在工作状态，电磁阀不通电，柱塞在图中底部，主缸和轮缸油路连通，主缸可以控制加压或随时降低制动油压。
轮缸减压过程：轮速传感器检测到车轮抱死信号，感应电流电压升高，电磁阀通过更大的电流。柱塞运动到图的上方，主缸与轮缸之间的通道被切断，轮缸与储液器连通，轮缸压力下降。同时，驱动电机开始驱动液压泵工作，将流回储液器的制动液加压送至主缸，为下一个制动过程做准备。
轮缸保压过程：轮缸减压过程中，速度传感器产生的电压信号微弱，电磁阀通过小电流。柱塞下降到如图所示位置，切断所有油路，保持缸内压力。
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轮缸加压过程：在加压过程中，轮速趋于零。感应交流电压也趋于零，电磁阀断电，柱塞下降到初始位置，主缸与轮缸之间的油路重新接通，主缸高压制动液再次进入轮缸，使轮缸油压升高，车轮又趋于接近抱死状态。
图7 ABS防抱死制动系统示意图
唐有光
2012.3
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