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轮毂轴承的发展趋势和技术

发布时间:2013-08-19

    摘 要:为满足汽车零部件减轻重量、减小体积和改善性能的要求,汽车用轮毂轴承在一体化方面取得了显著进步。讨论了轮毂轴承在改善性能、减轻重量、降低摩擦力矩、降低法兰盘跳动和集成ABS传感器以增强其功能等方面的发展趋势及最新技术。
  关键词:轮毂轴承;发展趋势;最新技术
  20世纪80年代以来,随着前轮驱动汽车的广泛普及,为满足减轻重量、减小体积和安装方便的要求,轴承和一些零部件如转向节和轮毂的一体化技术得到了快速发展。近年来,汽车制造商和相关供应商更加注重产品的安全性和对环境的影响。为满足对轮毂轴承的各种需求,改进了其原有功能并增加了一些更为先进的功能。本文将讨论轮毂轴承的最新技术、结构和发展趋势。
  1、发展历程
  NSK轮毂轴承的开发经历了三次重大设计进步,与周围零部件一体化程度方面取得显著成效(图1)。所有大批量生产的三代轮毂轴承(HUBⅠ、HUBⅡ和HUBⅢ)均满足汽车制造商对产品结构紧凑、轻量化和高可靠性的要求。

  为降低油耗及改善行驶的稳定性,轻质铝制转向节逐渐替代了较重的钢制转向节。另外,第二代和第三代轮毂轴承由于安装方便越来越广泛地应用于汽车生产中。
  1.1 第一代轮毂轴承
  第一代轮毂轴承是外圈整体式内圈背对背组合的双列角接触球轴承或双列圆锥滚子轴承。为保证安装后预紧载荷在规定范围内,预先设定初始轴承游隙,在汽车组装线上无需使用调整预紧载荷的隔圈。此外,轮毂轴承自带密封圈,省去了人工外部安装密封圈的步骤。
  1.2 第二代轮毂轴承
  与第一代相比外圈带法兰盘的第二代轮毂轴承其特点是装配部件数较少,重量较轻,安装方便。第二代轮毂轴承外圈带有法兰盘,直接通过镙栓连接到悬架上(内圈旋转型),或安装到刹车盘和钢圈上(外圈旋转型)。
  1.3 第三代轮毂轴承
  第三代轮毂轴承由连接到悬架上带法兰盘的外圈和连接到刹车盘和钢圈上带法兰盘的内圈相组成。与第二代不同,第三代轮毂轴承集成了ABS传感器。
  表1列出了NSK各种轮毂轴承的类型和特点。
  2、轮毂轴承技术
  2.1 高性能密封圈
  由于非常接近地面和高温的刹车盘等零件,轮毂轴承需要适应各种复杂路况及恶劣环境。因此轴承密封圈必须具备良好的耐热、防泥浆和污水的性能。表2列出了具有不同密封性能的密封圈。
  2.2 摇辗技术
  第三代轮毂轴承普遍采用摇辗技术(swaging)自锁半内圈,摇辗过程中对带法兰盘的轮毂轴端施加轴向载荷使其变形来固定半内圈。与传统的螺母紧固相比,这种轮毂轴端摇辗方式具有几个优点。例如,图2中的第三代轮毂轴承(非驱动轮用)有助于减少体积和重量,同时降低成本。图3中的第三代轮毂轴承(驱动轮用)在组装到汽车之前已经预置了载荷,因此免去了调整内部零部件位置的步骤。采用了摇辗技术的第三代轮毂轴承无论是用于驱动轮还是非驱动轮都具有以上优点。

  3、最新技术
  全球不断增强的环保意识促使汽车制造商降低汽车油耗以减少对环境的影响。NSK通过减少轮毂轴承的重量、体积和摩擦力矩来帮助汽车制造商实现这一目标。
  3.1 轻量化
  3.1.1 一体化
  轮毂轴承通过提高一体化程度来减轻车轴重量。第二代轮毂轴承比第一代减少了180g的重量,而第三代轮毂轴承又减少了120g的重量。
  3.1.2 有限元分析
  第二代和第三代轮毂轴承设计的过程中进行了有限元分析(FEM),在保证法兰盘足够刚性的同时进一步减小其重量。图4是对HUBK进行有限元分析的实例,在保证刚度的前提下减少其厚度来实现法兰盘的最优设计。
  3.2 低摩擦力矩
  NSK轮毂轴承的低摩擦力矩设计进一步降低了汽车的油耗。
  3.2.1 轴承内部的低摩擦力矩
  轴承的类型和预紧载荷是影响轴承摩擦力矩的主要因素。图5示出了各种轮毂轴承摩擦力矩渐进减少的状况。
  3.2.2 低摩擦力矩密封圈
  轴承的摩擦力矩成分中密封造成的占很大部分。改进密封设计降低摩擦力矩可提高轮毂轴承的性能。虽然降低密封摩擦力矩通常会降低密封圈的耐泥浆性能,但是NSK已经开发出了具有最佳密封唇设计和材料的低摩擦力矩密封圈。
  3.3 减少刹车盘振动
  造成刹车盘振动的原因很多,包括刹车盘转子的轴向跳动。为了使转子轴向跳动最小,最大程度的降低轮毂轴承法兰盘的轴向跳动极为重要。在这方面,NSK已经改进了生产工艺,以使法兰盘轴向跳动最小。
  3.4 ABS技术
  防抱死制动系统(ABS)是汽车的众多电子安全系统之一。ABS通过安装在每个钢圈上的传感器测量转速。ABS电动控制单元(ECU)根据传感器检测的信息通过液压控制单元(HCU)自动调节制动压力大小。
  带有ABS功能的轮毂轴承包括两类:一类是将传感器设置在轮毂上测量车轮转速,另一类是将传感器和轮毂轴承一体化。
  3.4.1 内置传感器转子的轮毂轴承
  图6给出了传统轮毂轴承的构造。使用传感元件检测传感器转子信号来测量车轮转速,金属烧结块或车削加工的插齿型传感器转子安装在旋转件上。压配合安装在驱动轮等速万向节的外圈或非驱动轮用轴承的外圈上。这种结构(驱动和非驱动)的车轮转速传感元件安装在转向节上。
  无源传感器(检测磁通量型传感器)是一种常用的传感器。当传感器转子旋转时,无源传感单元中的磁通量变化使传感元件产生正弦电流。转子的转速增大时,频率和电压也随之增大。但频率和电压与转子转速成正比,因此在低速行驶时由于频率较小,很难测量车轮速度。
  多极磁性编码器密封圈(多极磁性橡胶硫化在金属环上)比齿轮型的传感器转子更常用。由于与密封圈一体化设计,采用多极磁性编码器密封圈比传统传感器转子轻很多。零部件减少降低了传感器转子的体积和重量。多极磁性编码器促进了有源传感元件的应用,例如磁阻元件(MRE)旋转传感器和霍耳效应传感器。磁阻元件旋转传感器对转速高低没有限制,因此可以测量几乎静止的车轮转速。与传统磁感应传感器不同,磁阻元件与多极磁性编码器密封圈一体化,使得轮毂轴承的结构更加紧凑。图7给出了带多极磁性编码器密封圈的第一代和第二代轮毂轴承的例子。
  3.4.2 内置ABS传感器的轮毂轴承
  传感器转子、ABS传感元件与轮毂轴承的一体化是轮毂轴承技术发展的趋势之一。近年来,内置ABS传感器的轮毂轴承逐渐普及。这些轮毂轴承可分为三种类型:内置环状传感器、内置列间传感器和端盖式传感器。
  (1)内置环状传感器
  非驱动轮用内置环状传感器轮毂轴承(图8)结构紧凑、重量轻,有效利用了轮毂和轴承的内部空间。这种结构的传感转子输出信号强,低速行驶时无源传感元件也可测量车轮速度。
  (2)内置列间传感器
  内置传感器位于两列滚动体之间的轮毂轴承(图9)均可使用于驱动轮和非驱动轮上,尤其是使用于对空间尺寸有所限制的驱动轮上。传感元件、传感器转子与轮毂轴承的一体化可以延长其使用寿命,提高耐轴承变形或气隙变化的能力,即使恶劣的路况或汽车悬架系统突发的冲击载荷造成了轴承形变或气隙变化,传感器仍能正常输出信号。任何一种类型的传感元件,无源的或有源的均可内置到这种轮毂轴承中。
  (3)端盖式传感器
  内置端盖式传感器的轮毂轴承(图10)有两种结构:分离型和一体型。分离型的优点是批量生产的标准化传感器更换方便。一体型传感器端盖结构紧凑、轻巧,进一步缩小了轮毂轴承的体积。
  内置环状无源或有源传感元件的轮毂轴承最适合使用在非驱动轮。因为轮毂轴承内置了传感元件和传感器转子,所以这两种传感器都具有可靠的性能。
  4、结束语
  汽车工业日益迫切需要提高汽车的操作性和引入信息技术,同时,对系统单元化和模块化生产的要求也日益剧增。NSK将把握市场需求,坚持不懈地提高轮毂轴承的一体化及性能水平。
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