NSK第三代轮毂轴承的开发_蒋兴奇.pdf

国外轴承科技#NSK第三代轮毂轴承的开发蒋兴奇,黄志强(NSK中国技术中心,江苏 昆山 215335)摘要:文中从预紧载荷控制和测量;轮毂轴承密封技术;智能技术;摇辗技术和刚性分析等方面介绍了NSK第三代轮毂轴承的一些最新研发成果。关键词:滚动轴承;轮毂轴承;NSK;研究成果中图分类号:TH133.33;TH136 文献标识码:B 文章编号:1000-3762(2005)04-0046-04图1 汽车发展趋势对轮毂轴承的要求以及NSK的开发成果 随着汽车工业的发展,对支承车体的轮毂轴承提出了更高的要求。降低摩擦力矩,减轻重量,实现结构紧凑以及单元化设计可以显著提高汽车能源效率;改善密封性能和设计技术可以提高寿命和可靠性以及提高刚度和速度性能;轮毂轴承的智能化促进了ABS技术的采用,显著改善汽车行驶的安全性。图1给出了汽车技术的发展趋势和对轮毂轴承的技术要求。传统的单列球和圆锥滚子轮毂轴承已被轴承单元所取代。与第一代轮毂轴承相比,第三代轮毂轴承具有安装方便,预置预紧载荷;高刚性和易安装ABS传感器等优点,因此第三代轮毂轴承单元的使用正变得越来越广1。本文将介绍NSK第三代轮毂轴承的一些最新研发成果。1 预紧载荷控制和测量为保证汽车运行的平稳和安全性,必须对轮毂轴承进行预紧。顶紧载荷太大,会使赫兹接触应力显著增加,降低轴承疲劳寿命,增加轴承内部收稿日期:2004-12-21摩擦发热。为此,NSK开发了测量和控制轮毂轴承预紧载荷的方法。ISSN 1000-3762CN41-1148/TH轴承Bearing2005年第4期2005,No.446-49 由赫兹接触理论可知2=33Q2(1-v21)E1+(1-v22)E22/32(1)式中 赫兹接触变形3接触变形常数Q赫兹接触载荷 两接触体接触点曲率和v两接触体泊松比E两接触体弹性模量由(1)式可得轮毂轴承轴向刚度KL=(3)-13 23(1-v21E1+1-v22E2)-2/3Q1/3(2)K=2ZL=1xKiLKoLKiL+KoLsin2(3)式中 KL 第L个钢球与沟道的赫兹接触刚度K 轮毂轴承轴向刚度Z 单列钢球数 接触角i,o 分别代表钢球与内沟道和外沟道的接触预紧状态下,赫兹接触载荷Q与预紧载荷之间的关系Fa=ZQsin(4)由(2)(4)式可知,当轮毂轴承设计参数已知时轴向刚度与预紧载荷成正比,因此,只要测量出轮毂轴承的轴向刚度,就能确定预紧载荷的大小。如果轮毂轴承内圈承受幅值恒定频率变化的轴向正弦振动,则外圈的轴向共振频率为f=121-22KM(5)式中 M 外圈的重量 阻尼比由(3)(5)式可知,共振频率与预紧载荷成正比。知道共振频率,就能确定预紧载荷的大小。为此,NSK开发了利用共振法测量预紧载荷的装置。其原理如图2a所示。给内圈施加幅值恒定频率变化的轴向振动信号,测量外圈的振动响应信号,就能得到共振频率进而确定预紧载荷的大小。外圈振动响应频谱见图2b。图2 预紧载荷测量原理及频率响应曲线2 轮毂轴承密封技术汽车对轮毂轴承的密封性能有非常苛刻的要求。不仅要求轮毂轴承具有良好的防漏脂性能,还要有良好的防尘、防水及防泥浆性能。轮毂轴承的密封性能与密封圈设计有关,与轮毂轴承周围的结构设计也有密切的关系。为此,NSK开发了一系列轮毂轴承密封圈,可根据不同的密封性能要求进行选择。不同密封圈的耐泥浆寿命试验结果见图3。不同密封圈的性能比较列于表1。可以根据轮毂轴承周围结构,选择既经济又能满足密封性能要求的密封圈。表1 不同密封圈的性能比较密封圈型式耐泥浆性能摩擦力矩成本轴密封一般极优极优密封圈良优优双唇密封优极优优低摩擦整体式密封极优优良具有侧密封唇的轴密封极优优优具有侧密封唇的密封圈极优优良整体式密封极优一般一般74蒋兴奇等:NSK第三代轮毂轴承的开发图3 不同密封圈的耐泥浆性能比较3 智能技术ABS(Anti-Brake System)技术的采用,不仅要求轮毂轴承具有支承和运转功能,而且要求具有转速检测功能。为此,NSK重点开发了4种ABS用传感器,不仅具有极高的可靠性,而且易与轮毂轴承形成一体化,以满足客户不同的需要。NSK开发的4种ABS传感器列于图4,分别为环形无源传感器、列间整体式传感器、多极磁性编码器和端盖型传感器。环形无源传感器结构紧凑、增益大、信号不随载荷而变化,适合非驱动轮。列间整体式传感器可靠性高、结构紧凑、输出为有源信号,适合驱动轮。多极磁性编码器具有结构紧凑、重量轻、低速状态下也有稳定的输出、输出为有源信号、容许大的间隙等优点,适用于驱动轮和非驱动轮。端盖型传感器具有结构紧凑、输出为有源信号、低速下输出信号稳定、适用非驱动轮等特征。图4 带ABS传感器的NSK第三代轮毂轴承4 摇辗技术传统的第三代轮毂轴承设计中,轮毂轴与半内圈通过螺母紧固成一体,见图5a。采用摇辗技术,使轮毂主轴端产生塑性变形,将半内圈与轮毂主轴紧固成一体,如图5b和5c所示。摇辗技术适用于驱动轮和非驱动轮。相比于螺母紧固方法,摇辗紧固具有许多优点:(1)使第三代轮毂轴承单元结构紧凑,有助于减小轮毂单元 的重量和尺寸。(2)可以得到最佳预紧载荷。84轴承2005.4图5 采用摇辗技术的第三代轮毂轴承(3)提高轮毂轴承的可靠性。(4)方便安装。通过耐久性试验和静强度试验,以及实际车辆的试验验证,摇辗工艺等同甚至优于带锁紧螺母的传统型轮毂轴承3。5 刚性分析轮毂轴承的刚性对车辆行驶的平稳性、加速性能及安全性都有重要的影响。因此,计算并预测轮毂轴承的刚性对提高轮毂轴承的设计水平和保证汽车的安全性和可靠性具有重要的意义。第三代轮毂轴承的刚性定义为轮毂法兰盘相对外圈法兰盘的倾斜角。轮毂轴承的刚性由三部分组成,即轮毂法兰盘的倾斜角、轮毂主轴与外圈的相对倾斜角以及外圈法兰盘的倾斜角之和。为此,NSK利用有限元法(FFM)实现了计算和预测轮毂轴承的刚性。图6给出了一套轮毂轴承刚性的计算结果。图中同时列出了轮毂法兰盘的倾斜角、轮毂主轴与外圈的相对倾斜角以及外圈法兰盘的倾斜角,并且图中同时列出了轮毂轴承刚性的试验测量结果。从计算结果和试验结果的对比可以得到:图6 轮毂轴承刚性计算和测量结果(1)轮毂轴承的刚性主要由轮毂法兰盘的倾斜角和轮毂主轴与外圈的倾斜角构成。(2)外圈法兰盘的倾斜角对轮毂轴承的刚性影响很小。(3)轮毂轴承刚性的计算值与试验值接近。因此,NSK不仅可以实现轮毂轴承刚性的最优设计,而且在轮毂轴承的设计阶段就可以准确预测轮毂轴承的刚性。6 结束语NSK自从20世纪80年代末推出第三代轮毂轴承以来,加大研发力度,采用最新技术,不断推出新的轮毂轴承,市场占有率不断提高。目前NSK第三代轮毂轴承市场月需求量已达100万套。能实时测量路面切向力的智能化轮毂轴承也已开发成功,投放市场。参考文献:1Suzuki H,Takei K.NSK Products and Technologies Con2tribute Energy Conservation J.Motion&Control,2002(12).2 冈本纯三.球轴承设计计算M.黄志强,译.北京:机械工业出版社,2003.3Ishida H,Kaneko T.Development of Hub Unit Bearingswith SwagingJ.Motion&Control,2001(10).(编辑:赵金库)94蒋兴奇等:NSK第三代轮毂轴承的开发