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轴承应用研究课题 汽车轮毂轴承单元 汽车轮毂轴承汽车轮毂轴承 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 性也就更大 合理化及装配简便的轮毂轴承单元 其相对的独立 一 汽车轮毂轴承的发展 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 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 轴承组装工艺合理化 轻量化和小型化 提高可靠性 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 第 1 页 共 28 页 研发中心 轴承应用研究课题 汽车轮毂轴承单元 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 28 页 承单元的装配关系 承单元的装配关系 二 汽车轮毂轴二 汽车轮毂轴 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 第 2 页 共研发中心 轴承应用研究课题 汽车轮毂轴承单元 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 第 3 页 共 28 页 研发中心 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 单元在非驱动轮结构中的装配关系如图八所示 通过等速 万向节 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 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 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 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 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 轴承应用研究课题 汽车轮毂轴承单元 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 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 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 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 第 4 页 共 28 页 研发中心 轴承应用研究课题 汽车轮毂轴承单元 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 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 三 汽车轮毂轴承与制动系统的结合应用三 汽车轮毂轴承与制动系统的结合应用 汽车保持静止不动 这三种功能分别 对应 十四所示的一种简单的液压制动系 鼓式制动器 示意 8 固定在车轮轮毂上 随车轮一同旋 转 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 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 承单元还没有得到实际应用 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 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 汽车制动系的工作原理 一般制动系的工作原理可用图 图来说明 一个以内圆面为工作表面的金属的制动鼓 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 第 5 页 共 28 页 研发中心 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 轴承应用研究课题 汽车轮毂轴承单元 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 中的制动踏板机构是最简单的一种控制装置 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 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 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 和驻车制动 中央制 动器 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 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 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 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 力的空气动力缓速装置以外 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 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 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 车用作驻车制动 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 还有用凸轮促动装置的凸轮式制动器和用楔式促动装 置的楔式制动器 图十五所示为轮缸式领从蹄式制动器 作为旋转元件的制动鼓 12 固装在车轮轮毂的凸缘上 作为固定部分零件装配基体的制动底板 3 用螺栓与后 第 6 页 共 28 页 研发中心 轴承应用研究课题 汽车轮毂轴承单元 驱动桥半轴套管上的凸缘连接 如果是独立后悬架系统则与后轴分头上的凸缘连接 而前轮制动器则与前桥转向节的凸缘连接 用钢板料焊接成 T 形截 面的 松嵌入压合在制动轮缸 活塞 六所示 设汽车前进时制动鼓旋转方向如图中上端箭 头所 具有这种属性的制 动蹄 前后制动蹄 1 和 9 以其腹板下端的孔分别同两支承销 11 上的偏心轴颈作动配合 制动蹄的外圆面上 用埋头铆钉铆接着一般用石棉纤维及其它物 质混合压制成的摩擦片 2 有些制动器摩擦片和制动蹄也用粘结的方法 铆钉头顶端埋入深度约为新摩擦片厚度的一半 属于液压传动装置的制动轮缸 13 直接作为制动蹄促动装置 也用螺钉 装在制动底板上 因而在结构上它又 成为制动器不可分割的一部分 制动 蹄腹板的上端 6 5 制动轮缸活塞 制动底板活塞顶块 调整凸 轮锁销 调整凸轮 3 弹簧垫圈15 5 上的顶块 6 的直槽中 两制动 蹄由回位弹簧 4 和 10 拉拢 并以焊接 在腹板上的锁销 8 紧靠着装在制动底 板上的调整凸轮 7 制动蹄限位弹簧 19 使制动蹄腹板紧靠着限位杆 17 中 部的台肩 借以防止制动蹄的轴向窜 动 领从蹄式制动器制动蹄受力情况如图十 制动时 两蹄在轮缸中液压的作用下 各自绕其支承销偏心轴颈的轴线向外旋转 紧压在制 动鼓上 解除制动时 撤除液压 两蹄便在回位弹簧 4 和 10 地作用下回位 20 制动蹄回 位弹簧 11 10 图十五 轮缸领从蹄式制动器 支承销 14 13 制动蹄回位弹簧 制动底板 摩擦片 前制动蹄 2 4 1 3 7 8 后制动蹄9 12制动鼓 制动蹄限位弹簧 制动蹄限位杆 螺母 制动轮缸 16 支承销内端 面上的标记 调整凸轮 压紧弹簧 19 17 18弹簧盘 示 这称为制动鼓正向旋转 沿箭头方向看 前制动蹄 1 支撑点在其前端 轮缸所施加的促 动力作用于其后端 因而该制动蹄张开时的旋转方向与制动鼓旋转方向相同 称为领蹄 与此相反 后制动蹄 4 的支撑点在后端 促动力加于其前端 其张开时的旋转方 向与制动鼓相反 具有这种属性的制动蹄称为从蹄 当汽车倒向行驶时 制动蹄 1 变成从蹄 制 第 7 页 共 28 页 研发中心 轴承应用研究课题 汽车轮毂轴承单元 动蹄 4 变为领蹄 这种在制动鼓正向与反响旋转时都有一个领蹄和从蹄的制动器 即称为领从蹄式制动器 在图十六与图十五所示的结构中 轮缸中的两个活塞都可在轮缸内轴向浮动 且两者直径相同 因此 制动时两个活塞对两个制动蹄所施加的促动 力永远是相等的 凡两蹄所受促动力相等的领从蹄式制动器 都可称为等促动力制动器 如图十六所示 制动时 领蹄 1 和从蹄 4 在等促动力 Fs 的作用下 分别绕各自的支承点 2 和 3 旋转到压紧制动鼓 5 的位置 旋转着的制动鼓即对两 蹄分别作用着微元法向反力的等效合力 以下简称法向反力 FN1和 FN2 以及微元切向反力 即微元摩擦力 的等效合力 以下简称切向反力 FT1和 FT2 为解 等的情况 下 释方便起见 姑且假定这些力的作用点如图十六所示 两蹄上的这些力分别为各自支点 2 和 3 的支点反力 FS1和 FS2所平衡 由图十六所示 领蹄上 的切向合力 FT1所造成的绕支点 2 的力矩 与促动力 Fs 所造成的绕同一支点的力矩 是同向的 所以力 FT1的作用结果是使领 蹄一在制动鼓上压得更紧 即力 FN1变得 更大 这表明领蹄具有 增势 的作用 与此相反 切向合力 FT2则使从蹄 4 具有 放松制动鼓 即有使 FN2和 FT2本身减小的 趋势 故从蹄具有 减势 作用 由此可 见 虽然领蹄和从蹄所受促动力相等 但 制动鼓所受法向反力 FN1和 FN2却不相等 且 FN1 FN2 相应的 FT1 FT2 故两制动蹄 对制动鼓所施加的制动力矩不等 一般说 来 领蹄制动力矩约为从蹄制动力矩的 2 2 5 倍 倒车制动时 虽然蹄 4 变为领 蹄 蹄 1 变为从蹄 但整个制动器的制动 效能还是同前进制动时一样 显然 由于领蹄与从蹄所受法向反力 不等 在两蹄摩擦片工作面积相 第 8 页 共 28 页 研发中心 领蹄摩擦片上的单位压力较大 因而 磨损较为严重 为了使领蹄和从蹄的摩擦 轴承应用研究课题 汽车轮毂轴承单元 片寿命相近 有些领从蹄制动器的领蹄摩擦片周向尺寸设计得较大 但这样使得两摩擦片不能互换 从而增加了零件种数和成本 此外 领从蹄式制动 器的制动鼓所受来自两蹄的法向力 FN1和 FN2不相平衡 则此二法向力之和只能由车轮的轮毂轴承的反力来平衡 这对轮毂轴承造成了附加径向载荷 使 其寿命缩短 凡制动鼓所受来自两蹄的法向力不能相互平衡的制动器 均属于非平衡式制动器 前面讲过 在制动鼓正向与反响旋转时都有一个领蹄和从蹄的制动器 即称为领从蹄式制动器 同理 在制动鼓正向旋转时 两蹄均为领蹄 同时 在制 两蹄的受力支点 而双向双领蹄式制动器同样有 两个 用 目前 所有国产汽车和部分国外汽车的气压制动系中 都采用 凸轮 钳盘式制动器和全盘式制动器 钳盘式制动器指固定元件由面积不大的摩擦块与其金属背块组成的制动块以及金属制动盘组成的制 动器 动鼓反向旋转时 两蹄均为从蹄的制动器称为双领蹄式制动器 而在制动鼓正向与反向旋转时 两蹄都为领蹄的制动器称为双向双领蹄式制动器 由图十七所示可知 领从蹄式制动器与双领蹄式制动器在结构上的区别就是后者有两个轮缸 每 个轮缸只有一个活塞 而轮缸没有活塞的一端分别为 轮缸 但每个轮缸都有两个活塞 而且每个轮缸的每个活塞都同时工作 单向自增力式制动器也 只有一个轮缸 轮缸只有一个活塞 但活塞作用点不是制动蹄两端的任一端 而是中间某点 而且作 用在前蹄上 双向自增力式制动器只有一个轮缸 但有两个活塞 分别作用在两个制动蹄上 作用点 与单向自增力式制动器类似 目前 由于领从蹄式制动器发展较早 其效能及效能稳定性都居中游 而且有结构简单等优点 因此在现代汽车上仍得到广泛应 前面已讲过 鼓式制动器除了上述所讲的轮缸式制动器外 还有还有用凸轮促动装置的凸轮式制 动器和用楔式促动装置的楔式制动器 制动器 而且大部分设计成领从蹄式 凸轮促动的双向自增力式制动器只用作中央制动器 本篇 开篇所讲的普遍用轮毂轴承结构 图一 所用的制动器结构范例就是凸轮式制动器 制动时 制动调 整臂 8 在制动气室的推动下 带动制动凸轮轴 9 转动 推使两制动蹄压靠制动鼓 6 由于凸轮轮廓的 中心对称性 以及两蹄结构和安装的轴对称性 凸轮转动所引起的两蹄上相应点的位移必然相等 而 楔式制动器在国内汽车上基本没用应用实例 就是在国外一般也仅是用在重型汽车上 在此就不作多 讲 2 盘式制动器 盘式制动器分为 全盘式制动器指制动盘的工作面积可同时与呈圆盘状的摩擦块接触的盘式制动器 全盘式制动器只有少数汽车 主要是重型汽车 用作车轮制动 器 个别情况还可以作为缓速器 这里主要讲钳盘式制动器 钳盘式制动器又可分为定钳盘式和浮钳盘式两类 第 9 页 共 28 页 研发中心 轴承应用研究课题 汽车轮毂轴承单元 定钳盘式制动器的制动钳固定安装在车桥上 既不能旋转 也不能沿制动盘轴向移动 因而必须在制动盘两侧都装设制动块促动装置 以便将两侧 的制 般可设计得可以相对制动盘轴向滑动 其中 只在制动 盘的 擦因素的影响较小 即效能较稳定 胀那样使制动器间隙明 显增 他保养修理作业也比较简单 效能较低 故用于液压制动系时所需的制动促动管路压力较高 的应用受到限制 器 而与后轮的鼓式制动器配合 以获得 汽车 见第二章汽车轮毂轴承单元的装配关系 动块压向制动盘 因此 结构较为复杂 尺寸较大 热负荷较大 制动液容易受热汽化 而且若用于驻车制动 必须加装一个机械促动的制动器 由于以上缺点 使得定钳盘式制动器难以适应现代汽车的使用要求 自上世纪 70 年代 逐渐让位于浮钳盘式制动器 浮钳盘式制动器的制动钳一 内侧设置液压缸 浮钳盘式制动器的工作原理如图十八所示 制动钳支架 3 固定在 转向节上 盘式制动器一般用于前轮 当用于后轮时 一般是高级轿车 则制动钳支架 就装在后轴分头上 制动钳体 1 与支架 3 可沿导向销 2 轴向滑动 制动时 活塞 8 在 液压力 p1 的作用下 将活动制动块 6 带摩擦块磨损报警装置 推向制动盘 4 与此同 时 作用在制动钳体 1 的反作用力 p2 推动制动钳体沿导向销 2 向右移动 使固定在制 动钳体 1 上的固定制动块 5 压靠到制动盘上 于是 制动盘两侧的摩擦块在 p1 和 p2 的 作用下压紧制动盘 使之在制动盘上产生与运动方向相反的制动力矩 促使汽车制动 盘式制动器与鼓式制动器相比有以下优点 一般无摩擦助势作用 因而制动器效能受摩 浸水后效能降低较少 而且只需经一两次制动即可恢复正常 在输出制动力矩相同的情况下 尺寸和质量一般较小 制动盘沿厚度方向的热膨胀量较小 不会象制动鼓的热膨 加而导致制动踏板行程过大 较容易实现间隙自动调整 其 但盘式制动器也有明显的不足之处 一般要伺服装置 兼用于驻车制动时 需要加装的驻车制动传动装置较鼓式制动器复杂 因而在后轮上 目前 盘式制动器已广泛应用于轿车 但除了在一些高性能轿车上用于全部车轮外 大都只用作前轮制动 在较高车速下制动时的方向稳定性 在货车上 盘式制动器目前也采用 但离普及还有相当的距离 三 汽车轮毂轴承与汽车制动器的装配关系 三 汽车轮毂轴承与汽车制动器的装配关系 汽车轮毂轴承与汽车制动器的装配关系可以参 第 10 页 共 28 页 研发中心 轴承应用研究课题 汽车轮毂轴承单元 四 具有 ABS 能力的汽车轮毂轴承单元 四 具有 ABS 能力的汽车轮毂轴承单元 现代汽车中越来越多的轿车都配备了 ABS 而中准配置 因此 以前作为卖点的 ABS 就被厂 家从 全消失 如果是前轮 转向轮 制动到抱死滑移而后轮还在滚动 汽车将失去转向能力 跑偏 如果 器 电子控制器和液压调节器组成 其组成和 子控制器 车速比较 得出滑移率 s 及加 减 速度 压的增减 传给电子控制器 经电子控制 并根据滑移率控制各轮缸油压 当滑移率 国自 2003 年 10 月开始 国家要求 ABS 成为轿车的一种标 功能上下功夫 要求功能越来越强 即使在很低的车速下也能保持效能 而对于 ABS 零部件如机械脉冲论和传感器则要求尺寸更小 重量更轻 耐 磨性更好 成本更低 目前 ABS 中大多由电传感器来掌握车速 该传感器触到一个齿轮式为主的车轮转速脉冲还上 这样的 齿轮 在驱动轮中压套在 等速万向节的钟形罩上 在从动轮则压套在第二代轮毂轴承的法兰外圈上 一 ABS Antilock Braking System 的工作原理 一 ABS Antilock Braking System 的工作原理 当车轮抱死滑移时 车轮与路面的侧向附着力将完 是后轮制动到抱死滑移而前轮还在滚动 即使受到不大的侧向力干扰 汽车也将产生侧滑 甩尾 现象 这些都极易造成严重的交通事故 因此 汽车在制动时不希望车轮制动到抱死滑移 而是希望车轮制动到边滚变 滑的滑动状态 1 ABS 的组成 ABS 一般由轮速传感 布置如图十九所示 轮速传感器的功能是通过磁极将车轮转速转化为感应电压 并将该 交流电压信号输送给电 电子控制器 EDU 具有运算功能 它接收轮速传感器的交流电压 信号后 计算出车轮速度 并与参考 对这些信号进行分析 向液压调节器发出控制指令 此外 电子 控制器对其他部件还具有监控功能 当这些部件发生异常时 由指示灯 或蜂鸣器发出警报信号 液压调节器接收电子控制器的指令 由电磁阀 液压泵和驱动电机 直接或间接控制制动轮缸油 2 ABS 的工作原理 四个轮速传感器分别将各车轮的信号 器运算得出各车轮的滑移率 第 11 页 共 28 页 研发中心 轴承应用研究课题 汽车轮毂轴承单元 在 8 有例如所谓 1A 代非对称轮毂轴承的脉冲 论和 工作 在该集成电路的输 出处 示等其他用 途 多数 1 代和 1A 代 非对称 的轮毂轴承目前都装有密封圈和离心圈 该离外面的橡胶层构成 35 不同的车有不同的范围 时 车辆的纵向附着力和侧向附着力都较高 将这一附着区域内汽车制动的有关参数预先输入到制动防抱死装置 ABS 的控制系统 控制器可随机根据实际工况进行判断 给执行机构发出动作指令 使车轮的滑移率控制在这一最佳范围内 即各车轮制动到不抱死 的极限状态 二 ABS 与汽车轮缸轴承单元的结合应用 二 ABS 与汽车轮缸轴承单元的结合应用 图二十所示的是设置 传感器目前流行的标准配置情况 目前 ABS 传感器用的主动传感器及其目前的发展大多用霍尔 差分集成电路 Hall Differenz IC S 有一直至似乎零的具有与转速无关之振幅的稳定的输出信号备 用 因为按照这种原理工作的传感器所需要的磁通量变化大大小于 老式线圈传感器的磁通量变化 从而为 脉冲论 开辟了新的解决 途径 以下就第一 二和三代轮毂轴承单元作具体结构说明 外不仅能用于 ABS 调节 而且也能用于诸如防滑调节和计数器显 因为主动传感器实际上直至速度为零时都能发挥作用 所以这种信号此 1 第一代轮毂轴承单元解决方法 脉冲离心圈 大 心圈随内圈旋转 它由一个加固的薄金属衬片和包在 第 12 页 共 28 页 研发中心 轴承应用研究课题 汽车轮毂轴承单元 这样 也称为脉 冲离 衬片就有 终生 防锈性能 如果在硫化胶合前在衬片中冲出 一定数量的窗孔 与具有效率的主动传感器接合下就可以产生与速 度成正比的信号 这样就把 ABS 脉冲发生器集成到轮毂轴承单元中 从而使轴承具有信号功能及 ABS 功能 图二十一为 1A 代轮毂轴承具 有这种装置的正视图与侧视图 图二十二所示为 ABS 所装备的非对称轮毂轴承 不动的主动传 感器固定在羊角叉 转向节 上 它触及旋转的离心圈 心圈 烧结的脉冲论及其在等速万向节上的配合面等都可以省 略 这种结构众所周知的优点是车轮外侧的泥污侵袭大大地减小了 因此可如图二十二 所示那样在安轴承一侧放弃离心圈 当然目前必须从侧向安装轴承 但通过非对称设计 也就排除了混淆 靠万向节一侧的内圈内径小 2mm 此外它还比较宽且非常结实地压配在 轮毂上 这样也就减轻轴向力和由内圈引起的倾覆力矩对加长螺栓的负担 该加长螺栓 具有众所周知的重要任务 它使通过钟形罩与轮毂并紧的两个内圈一直保持无间隙地压 紧在一起 由图二十二可见 外圈轴向只有一端贴合在车轮羊角叉上 之所以能够如此 系因厚臂外圈以重压配合安装 因此所引起的摩擦力足以在相反方向上作轴向固定 2 第二代轮毂轴承单元解决方法 脉冲密封圈 第 13 页 共 28 页 研发中心 轴承应用研究课题 汽车轮毂轴承单元 图二十三所示为非驱动轮 2 代轮毂轴承单元 类似驱动轮的是静止不动的被动传感器触及脉冲论的 齿 在这里也要求有防锈性能 最小径跳和小的游隙范围 这是传统的二代轮毂轴承与 ABS 接合的结构 现代汽车一般采用带集成 ABS 脉冲发生器 脉冲密封圈的第二代轮毂轴承 如图二十四所示 十四所示的非驱动轮二代轮毂轴承单元结构中 汽车内侧的密封圈随法兰外圈旋转 该外圈同时还作为轮毂用 与一代轮毂轴承单元中的 脉 冲离心圈 的情况类似 密封圈中的金属薄片也设有窗孔 并因此成为 脉冲密封圈 第二代轮毂轴承单元同时也有一个集成 ABS 脉冲发生器 所以该轴承具有信号功能及 ABS 功能 图二十四所示为二代轮毂轴承脉冲密封圈结构的正 视图与侧视图 图二十五所示为上述结构在车轮中的装配设置 前提条件是在 脉冲密封圈 中使用主动传感器 在图二十三中所示的脉冲论配合面的 在图二 第 14 页 共 28 页 研发中心 轴承应用研究课题 汽车轮毂轴承单元 加固以及脉冲论在这里均省掉了 与烧结脉冲论相比 使用脉冲密封圈可使重量减轻 150g 左右 密封圈上全面 上胶能长期防止锈蚀 第三代轮毂轴承单元 带集成传感器 脉冲保 持架 在带转动法兰外圈的第三代轮毂轴承单元中 在轴 向结构空间不增大的情况下 可以在轴承内部设置一个 专门开发的主动或被动传感器 如图二十六所示 图二十六所示第三代轮毂轴承单元结构中 ABS 传 感器设置在车轮外侧的里面 传感器在这里径向触及一 个与滚子轴承保持架类似的 脉冲保持架 如图二十七 所示为 脉冲保持架 的截面 带法兰的内圈有一个孔 通过该孔可以引入集成传感器所用的电缆线 这种集成 方式解决方法的优点是 电磁屏蔽空间 封闭的防蚀设施 五 汽车轮毂轴承的受力分析及寿命计算 五 汽车轮毂轴承的受力分析及寿命计算 轮毂轴承的受力分析比较复杂 因为驱动力的变化 制动以及加速等都可能影响它的受力模型 同时也就影响了轴承的 寿命 在本章主要以一代轮毂单元作为分析体 因为二代 三代的法兰盘受力相当复杂 但如以简化模型还是可以得出与一 代轮毂轴承类似的模型 一代汽车轮毂轴承单元为双列角接触球轴承 如图二所示 可直接安装 即长寿命润滑 密封和预调游隙 根据静载荷 分析来计算轮毂单元的寿命 一 轮胎载荷 一 轮胎载荷 3 轴向空间结构小 在相应的插头式结构中能整套安装 第 15 页 共 28 页 研发中心 轴承应用研究课题 汽车轮毂轴承单元 如图二十八所示 通过前轴的自由简体图可以计算 中所受的径向和轴向载荷 在不考虑制动 加速 驱动 将每个轮胎与路面间的摩擦系数看作常数 采用解平衡 到作用在左 右轮上的载荷 FTrR Waxle 2 Hcg ST ag g Waxle FTaR ag g Waxle 2 Hcg ST ag g 2 Waxle FTrL Waxle 2 Hcg ST ag g Waxle 出 力的前提下 并且 方程可以很容易得 ag是转弯加速度 g 是重力加速度 数见图二十八 承受力 承受力 得到的轮胎载荷 态下就是轴承的 图二十九所示 但 不定系统 因此该 静平衡方程不能计算出轴承 作用力 外 内轴承的径向力 Fr1和 Fr2通过求解径向力和力矩平衡方程很容易计算出来 Fr1 FTr S LLP S FTa RT S Fr1 FTr LLP S FTa RT S Fa1 Fa1 FT 0 a1 a2 轮胎在转弯过程 FTaL ag g Waxle 2 Hcg ST ag g 2 Waxle 式中 指转弯率 其余各参 二 轴二 轴 由上面 在静平衡状 作用力 如 这是一个静 a 0 0 在式 中 a1和 a2分别表示内 外轴承的轴向位移 0表示轴向预载荷所产生的位移 然而 要得 第 16 页 共 28 页 研发中心 轴承应用研究课题 汽车轮毂轴承单元 到轴向力的值 还必须有轴承平衡方程 三 轴承平衡方程三 轴承平衡方程 为满足图三十所示双列接触球轴承德静平衡要求 作用于 单个 1 Fr1 cos q 1 cos q 0 cos q 2 cos q 0 式中 Fa1 Fa2 Fr1 Fr2分别是作用于外 式中 Kq 和 q分别表示第 q 球位置的有q是球和每一滚道 iq和 oq 的趋近量之和 如图十三所示 这样 通过应用 Neuton Raphson 方法同算出外 内球轴承的轴向和径向位移 a1 a2 a1 a2 以及轴向力 Fa1 Fa2 应用这一计算结果 可以得到每角 q的值 这是寿命计算所必需的 三 系统寿命 三 系统寿命 5 左转 5 右转 各有 0 25g 侧向加速度 和 90 没有性的驾驶员所测得的载荷谱以及普通轿车 的驱动形式非常接近 可由下式计算在上述 轴承的轴向力和径向力必须分别等于以接触角 q作用于 每个滚动体的法向载荷 Qq的轴向和径向分力之和 如下 Fa1 z Qq 1 sin q 1 0 q 1 Fa2 Qq 2 sin q 2 0 z q z q Q 1 q 1 Fr2 z q Q 1 q 2 内轴承上的轴向力和径向力 5 1 q Z 是球数 法向载荷 Qq可由赫兹接触应力原理计算 Qq Kq 效刚度常数和有效变形 有效变形 时解 6 个方程 可以计 一球位置的法向载荷 Qq和接触 通常 汽车轮毂轴承单元的主要失效形式是接触疲劳 因而该寿命是重要的性能指标之一 一般来说 汽车轮毂轴承单元的系统寿命根据 侧向加速度的向前驱动的载荷谱进行计算 这一载荷谱与有代表 载荷谱下轮毂轴承单元的合成额定寿命 L 第 17 页 共 28 页 研发中心 轴承应用研究课题 汽车轮毂轴承单元 L 1 0 05 L10 0 25g 0 90 L10 0g 0 05 L10 0 5g 寿命分别是每种驱动形式下的寿命寿命可以采用 Lundberg Palmgren 理论进行计算 这一计算需要用到法向载荷 Qq 和接由 com 分别表示外 内轴承的合成额定疲劳寿命 六 汽车轮毂轴承的技术条件与密封 六 汽车轮毂轴承的技术条件与密封 多年来 汽车轮毂轴承已从传统的分离式轴承发展到轴承单元 这些轮毂单元易于安装 有效解决了调整难的问题 减轻了非悬挂系统重量 节省 费用 趋势是轮毂轴承单元将具备更多的功能 由于采用整体密封和一次性润滑 轮毂单元是免维 护的 这是各代单元的共同点 然而实现额外的功能 设计紧凑 可靠和更少的保证声明等方面所做出的努力已使密封系统成为关键 从试验看来 轮 毂单元因密封失效所造成的轮毂单元失效比疲劳失效频率更多 轮毂轴轮毂轴 开始密封的研制前 首先要确定失效模式 为了更好的了解使用中失效的情况 最好对分散的汽车修理厂进行随机收集取样 结果发现许多轴承的 返修多是出于同样的原因和来自相同的车型 调查中发现 轴承失效的发生率与密封污染的失效 和润滑脂变质 或疲劳有关联 结论是 封 主要失效形式是来自内部水和污染物的侵入使界面腐蚀 进而加速了密封磨损 2 润滑剂 润滑脂的变离运行的失效轮毂单元 显示出轴承的钢球退色 而密封没有失效 这种情况下 老化的润滑脂 变得更硬 润滑性能减弱 可引起噪声更大 滚道表面形状改变 出现打滑或钢球脱色 而且还可能在部分表面出现初始疲劳 3 轴承 模 触滚 式 右边的每一额定疲劳 该 触角 q的值 那么 轮毂轴承单元的系统寿命 L10 system可 L10 system L 9 10 com L 9 10 10 9 下式计算 1 102 10 式中 L 9 10 和 L 10 1 10 com2 10 com 9 了相关零件 如前面所讲 轮毂单元已开发到第四代 一 承单元的使用失效模式 一 承单元的使用失效模式 1 密 质源于老化 水渗入或基油损耗 长距 主要失效模式是次表面疲劳失效 大多数失效套圈上可见次表面裂纹扩展 而几乎没有剥落的颗粒 剥落扩展非常缓慢 另外一些失效式是在接 道内部 或在钢球与滚道的间隙处出现腐蚀 最终导致点蚀和表面初始疲劳 概括起来 轮毂轴承单元寿命由以下几方面限制 1 配合面腐蚀 密封失效 污染物侵入及轮毂单元的润滑不畅 第 18 页 共 28 页 研发中心 轴承应用研究课题 汽车轮毂轴承单元 2 由疲劳引起的轴承失效 或装配误差造成跳动增大 以及最终的密封失效 试验相接合 密封承受的污染程度每个汽车制造商都不 相同的轿车制造商都要进行整车道路试验 包括急转弯 急刹车 最大 对各种不同的试验方法进行评估时 人们就不会对轮毂轴承单元的密封设计多样性感到惊讶了 每种试验方法 不管是现实的 还是不现实的 都 往往并不知道 人们期望开发一种与实际使用条件联系密切的 成 功的实验室用的密封试验机 排除任何为缩短试验时间而进行的人为加速 因为如果引入不同的失效机理 就将导致错误的结论 当轴承由于污染侵入 磨损和疲劳等受到严重损伤时才最终发现 当时离污染最初侵入轴承单元已有相当长一段时间 因此要求一种在线密封检测装置 试验焦点是在进入轴承单元的标准尘埃和水的检测 现有的检测 技术评估包括 定期润滑脂检测 噪声记录 往往不尽人意 尘埃和水的微量进入通常在记 录中 进入未密封的轴承中时 加速度仅出现一个小峰值 整体水平没有变化 轴承金属粗糙 表面间较长 由于滚道表面粗糙度增大 轴承的测量电容一直受到干扰 并不再复原 失效的检测 选择 LUBCHECK 方法是因为该方法可以在轴承失效之前对整个单元 除外壳 作失效检查 连续的监视和密封失效检查 密封寿命的概念容易定义 可是检测却很难 目前的市场或试验数据十分混乱 或者根据试 验得 中的 因果 图说明轴承失效是所有因素的最终结果 每种因素都会导致失效 因此在初期试 轮毂单元密封试验方法的研究针对的是第一种主要失效机理 二 试验方法的发展 二 试验方法的发展 汽车轮毂单元试验方法多种多样 某些主要制造商采用 室内 试验方法 并与间歇式转弯 有些轿车制造商很少或根本都不相信实验室密封试验 而只信赖汽车道路试验 所有 加速 穿越 盐 水浴路和在多尘埃的砂石路上行驶 有时要进行长距离的耐锈蚀结论性试验 对轮毂单元整体 包括对二级防护体系进行最终的 评估 评估值应在一定的标准内 虽然这一标准各个厂家也不尽相同 会产生通过试验的 最佳密封设计 而该设计是否能使轴承单元达到最佳使用寿命 失效检测 对轮毂轴承单元密封试验的调查表明密封失效的检测方法还相当落后 目测 标准水量检测方法 用这些方法进行的试验 没有反应 目前 较好的是 SKF 研制的一种叫 LUBCHECK 的装置 可测量轴承内润滑油膜的状况 电容监测系统可检测滚道和滚动体间金属与金属接触的程度 可以肯定滚动体间尘粒的进入对轴承内的润滑油膜的影响 尘粒试验 当仅有 0 05g 重的标准亚利桑那 细小级 尘粒 的接触时间百分率 PCT 变化的时 进水试验 轴承中油膜厚度受载荷 转速和润滑剂粘度的影响 进水会直接影响润滑剂的粘度 进而影响润滑膜 当进水量为 0 05g 时 加速计上 没有读出任何变化信息 然而对润滑膜的影响虽是瞬间的但时间较长 当滚道里的水最终被润滑剂替换时 润滑膜才复原 关于密封 三 试验思路 三 试验思路 虽然对提高 出数据 而试验往往不能全部代表真实的情况 所以 必须定义特殊条件以达到最终长寿命的要求 其 关系图如图三十一所示 图三十一 第 19 页 共 28 页 研发中心 轴承应用研究课题 汽车轮毂轴承单元 验中 整体试验 在第一步试验中 要检测重要的密封参数 并对其优化 第二步是评估整个系统 面粗糙度等 都是产品特性的组成部分 每个试验件都要经过这些 检测 试验尘粒 以中等速度进行长时间的耐久试验 试验尘粒采用标准的 GM 空气吸尘器尘 粒 期后 一体 因此 还要进行单独的密封摩擦力矩测量 将分别评估各个因素 所有这些不同因素之间的相互影响 连同典型的轿车应用影响都将在模拟试验中进行评估 四 初期试验 四 初期试验 研发的试验程序分为两步 1 初期试验 2 最终的 1 计量 对重要的密封参数的一般检测程序 如 密封唇厚度 长度 过盈 材料 配合 以证明产品是否在技术要求规定之内 2 润滑剂滞留 无论是轴承 还是密封的寿命都与润滑条件紧密联系 显然 润滑剂在轴承单元中滞留时间越长 其工作寿命也越长 另一重要目标是润滑剂的零 泄露 因为轴承靠近刹车系统 因此不允许润滑剂泄露 轴承以 1500r min 运转 48 小时的固定期限对润滑剂的滞留做出评估 并检测轴承外圈温度和润滑脂损耗状况 通过旋转外圈内的密封并同时测量所 需力矩可以检测外圈内密封的贴紧程度 人们期望轮毂单元在静态条件下完全密封 测量的方法是将压缩空气排入轴承下面的封闭小室 若压力迅速减小 表面密封唇 配合面或外圈等润滑 剂滞留区存在严重缺陷 3 隔污和磨损 外来微粒进入轴承 将引发滚动轴承通常情况下不会发生的磨损机理 因此应该在任何时候都避免外 物进入 尘粒达到 0 1 0 3um 时 就会影响下面的润滑膜 将加速密封磨损 新研发的独立试验可评估密 封件的尘粒阻隔参数和它的耐磨性 图三十二所示是主试验结构 轴承试验机里面安装着密封的轴承 而 且有一面是朝向 细小级 整个试验过程采用 LUBCHECK 设备监测 以发现任何进入轴承滚道的尘粒 4 摩擦力 高摩擦和其内部温升对所有轴承组件润滑脂 密封件 塑料 保持架以及轴承整体都是不利的 密封 材料会老化 发生永久性变形 加剧了磨损 最终失去密封能力 整体单元的摩擦力矩测量是在空气静压轴承上进行的 该试验是将轴承加温 而后逐渐冷却至稳定的 静止温度 接着在 重新开始 加温 时再次测量摩擦力矩 即测量轴承的通风量 完成这样一个加温周 密封的轴承不应被 锁定 然而 在这一试验中密封的摩擦力与轴承摩擦力和润滑脂的摩擦力混为 第 20 页 共 28 页 研发中心 轴承应用研究课题 汽车轮毂轴承单元 5 温度 热循环 采用下坡的形式进行试验 使轴承达到高温峰值 检验其对密封寿命的影响 洲 一般在 Cross Golckner 北部做下坡试验 大多数汽车制造商都喜欢在试验项目中包含下坡试验 在欧 一条 14km 的路 平均坡度斜率为 10 分 慢速 缓行 和 高速 的三个级别 慢速下坡时 速度 为 1时速度为 34km h 险情较少 使用二档和三 室模拟缓行下坡试验 试验轴承升温达 150 50r min 单元可能会长期处于极低温度环境中 这会影响密封材料的特性 根据 IP186 设计的一种方法可进行这方面的试验 这是一项轮毂 轴承 整个48 小时 以目测和 SEM 显微镜对密封唇的观察结束该试验 封参数进行评估并优化 虽然是同一种轮毂轴承单元 但在不同车辆上性能表现却各不相同 这主要是不 同悬轮毂单元周围安装着辅助防护系统 如 延伸板 抛油环 刹车盘 外延轮罩等 所以需要对相关的悬挂部件进行直接评估 研制 出一 毂轴承装在典型悬挂系统上 附带有延伸板 抛油环 刹车盘 等速万向节 外延保护轮罩 等装 km h 时 轮毂轴承单元周围交替往复出现干的和湿的杂质 然后经过有规律 使轴承冷却 该试验采用突然 死亡24 小时 跑合 运转 以确保在每个试验起始 验 泥浆试验后是 12 小时稳定静止期 轮毂轴承周围环境污染严重 全部零 件都高 泥浆箱的温度上升 使得试验温度逐渐升高 为了结束泥浆试验移走泥浆箱打开驱动器和风扇 45 分钟以吹干试验机 然后再装 上泥迅速恢复继续试验 但是 如果润滑膜不能恢 侧装上离心挡圈的单唇式密封圈 节省了位置 结构试验相同的各种尺寸的轮毂轴承单元 试验 240 550 小 时后示结构的密封圈的轮毂轴承仍未有轴承失效 这表面 离心式