乘用車輪轂軸承性能試驗(yàn)方法綜述

性能試驗(yàn)是輪轂軸承產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的重要環(huán)節(jié)，根據(jù)輪轂軸承的功能分析了其性能要求及決定性能的因素，總結(jié)了耐久性試驗(yàn)、彎曲疲勞試驗(yàn)、密封試驗(yàn)、高速泄漏試驗(yàn)、摩擦力矩試驗(yàn)、沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)、路肩沖擊試驗(yàn)、力矩剛性試驗(yàn)、微動(dòng)磨損試驗(yàn)及其他功能試驗(yàn)方法在各大主機(jī)廠的研究進(jìn)展，評(píng)價(jià)了現(xiàn)有輪轂軸承性能試驗(yàn)方法，并對(duì)相關(guān)研究進(jìn)行了展望。

伴隨汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，對(duì)汽車零部件品質(zhì)的要求越來(lái)越高，各大主機(jī)廠加大了汽車基礎(chǔ)技術(shù)的研發(fā)投入。輪轂軸承是汽車底盤零部件中的安全件，備受主機(jī)廠關(guān)注，為開(kāi)發(fā)具有優(yōu)異性能的輪轂軸承，主機(jī)廠的科研人員不斷探索更加全面、科學(xué)、合理的試驗(yàn)方法,以評(píng)價(jià)輪轂軸承的性能，為開(kāi)發(fā)前端提供重要的基礎(chǔ)支撐。

輪轂軸承的性能試驗(yàn)方法在全球范圍內(nèi)尚未達(dá)成共識(shí)，沒(méi)有統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。各國(guó)在工業(yè)領(lǐng)域即使已形成部分輪轂軸承標(biāo)準(zhǔn)，如美國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)SAE、德標(biāo)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DIN、日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS、中國(guó)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB等，但并沒(méi)有出臺(tái)相應(yīng)的法規(guī)進(jìn)行強(qiáng)制實(shí)施，基本處于參考狀態(tài)，主流輪轂軸承制造商仍依從主機(jī)客戶的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行輪轂軸承產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、論證與評(píng)價(jià)。

輪轂軸承性能試驗(yàn)方法的研究工作主要集中在全球主流的車企，分為歐系(典型代表是大眾、寶馬、奔馳)，美系(典型代表是通用、福特等)，日系(典型代表是豐田、本田、馬自達(dá)等)。中國(guó)車企仍未形成自己的性能試驗(yàn)方法研究體系，各大車企均在不斷地對(duì)國(guó)外試驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行借鑒、吸收與采用,也積極與輪轂軸承供應(yīng)商進(jìn)行聯(lián)合研究工作，使輪轂軸承性能試驗(yàn)規(guī)范趨于合理。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球輪轂軸承性能試驗(yàn)規(guī)范達(dá)近百種，各大車企的試驗(yàn)方法規(guī)范也各有優(yōu)劣，不同車企大量的車輛售后軸承召回事件與其設(shè)計(jì)評(píng)估的試驗(yàn)方法不合理有很大關(guān)系。

綜上，對(duì)輪轂軸承的性能需求進(jìn)行分析，綜述當(dāng)前國(guó)際主流的輪轂軸承性能試驗(yàn)方法，對(duì)比分析其合理性并提出評(píng)價(jià)概述，為國(guó)內(nèi)輪轂軸承性能試驗(yàn)的研究提供參考。

1、輪轂軸承性能要求與分析

乘用車輪轂軸承在整車上發(fā)揮著承載與傳動(dòng)這2大功能，對(duì)功能可靠性的滿足又衍生出相應(yīng)的性能要求：長(zhǎng)壽命、低摩擦、高強(qiáng)度、高剛度、抗沖擊、耐微動(dòng)、抗泄漏、抗泥水等。以典型的第三代輪轂軸承單元為例，輪轂軸承的性能要求與各基礎(chǔ)件要求之間的映射關(guān)系如圖1所示。決定輪轂軸承每個(gè)性能的因素多且復(fù)雜，全面評(píng)價(jià)輪轂軸承性能需要涉及到多種性能試驗(yàn)，可歸納為10項(xiàng)(表1)。

2、輪轂軸承性能試驗(yàn)方法的應(yīng)用及評(píng)價(jià)

2.1 耐久性試驗(yàn)方法

2.1.1 載荷譜的研究現(xiàn)狀

輪轂軸承耐久性試驗(yàn)的目的是評(píng)價(jià)軸承的滾道接觸疲勞壽命，當(dāng)前耐久性試驗(yàn)方法的研究核心在于編制耐久性試驗(yàn)載荷譜。耐久性試驗(yàn)載荷譜的研制流程如圖2所示，其編制依據(jù)為：在實(shí)車道路的行駛過(guò)程中，采用安裝于輪端的加速度傳感器、六分力傳感器或被標(biāo)定的應(yīng)變橋采集車輪承受的載荷，利用雨流計(jì)數(shù)法對(duì)載荷信息進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)以獲得載荷譜的雛形，借鑒輪轂軸承設(shè)計(jì)理論中的理論算法對(duì)輪端載荷進(jìn)行估算，綜合這兩者信息并適當(dāng)引入強(qiáng)化因子從而獲得一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的耐久性試驗(yàn)載荷譜。

圖2  輪轂軸承耐久性試驗(yàn)載荷譜的研制流程

Fig.2  Development process for durability test load spectrum of hub bearing

按照歐系、美系、日系車企的劃分，將輪轂軸承行業(yè)所采用的載荷譜歸類如下：

1)歐洲的AK45試驗(yàn)，已形成了歐洲標(biāo)準(zhǔn)，被大眾與奧迪采用。由于對(duì)原始道路載荷信息處理理解上的差異，奔馳進(jìn)一步在原始?xì)W洲采集譜的基礎(chǔ)上制定了AK51試驗(yàn)。試驗(yàn)的載荷條件相同，但大循環(huán)的載荷步驟存在差異，AK45為45個(gè)步驟，AK51為51個(gè)步驟，兩者最苛刻的步驟均為第43步，其載荷的當(dāng)量條件達(dá)到了1.0g(g為重力加速度，下同)。

2)美系典型的兩大車企為通用與福特，分別采用了20步法與2步法。20步法的制定思路更接近于歐洲的AK45，但所應(yīng)用的強(qiáng)化因子要遠(yuǎn)小于AK45，載荷試驗(yàn)條件更加寬松；2步法為簡(jiǎn)單的理論受力模型中＋0.6g與-0.6g側(cè)向加速度條件下的試驗(yàn)載荷。

3)日系車企的載荷譜制定思路相對(duì)簡(jiǎn)單，一般采用2~4個(gè)載荷步驟，在0g，±0.3g與±0.6g之間循環(huán)試驗(yàn)，與福特的載荷譜有共同之處。

對(duì)比上述載荷譜條件可知：歐系載荷譜條件最苛刻，瞬時(shí)工作應(yīng)力一般會(huì)超出4 200 MPa的最大額定靜載荷。因載荷的苛刻程度，在輪轂軸承設(shè)計(jì)上除考慮滾道接觸疲勞壽命外，必須要兼顧凸緣類結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度，甚至軸向車輪預(yù)緊的緊固件或緊固方式的設(shè)計(jì)。目前，軸承公司也制定有相應(yīng)的企業(yè)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，尤其是國(guó)內(nèi)軸承公司，為滿足國(guó)內(nèi)缺乏載荷譜研究的主機(jī)客戶開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的需求，一般推薦將軸承公司自身的載荷譜作為滾道接觸疲勞壽命的評(píng)價(jià)方法。例如，浙江萬(wàn)向精工有限公司不僅全面制定了輪轂軸承性能試驗(yàn)規(guī)范企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，也承擔(dān)研制了浙江制造輪轂軸承的地方標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)聯(lián)合廣汽、吉利、北汽等國(guó)內(nèi)車企制定了主機(jī)客戶的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

2.1.2 試驗(yàn)細(xì)節(jié)的處理

1)加載模式的選定。行業(yè)內(nèi)存在旋轉(zhuǎn)件加載、非旋轉(zhuǎn)件加載這2種加載模式，從原理圖(圖3)中可看出2種加載模式在載荷傳遞上存在顯著差異：旋轉(zhuǎn)件載荷傳遞路徑為加載臂、中間支承軸承、旋轉(zhuǎn)工裝、試驗(yàn)軸承的旋轉(zhuǎn)零件、試驗(yàn)軸承的滾道；非旋轉(zhuǎn)件載荷傳遞路徑為加載臂、非旋轉(zhuǎn)工裝、試驗(yàn)軸承的非旋轉(zhuǎn)零件、試驗(yàn)軸承的滾道。旋轉(zhuǎn)件加載模式的載荷傳遞效果對(duì)整車車輪上的受力模擬更為真實(shí)，由于其引入了一個(gè)支承軸承,試驗(yàn)總成的系統(tǒng)剛性比非旋轉(zhuǎn)件加載的更小，大量對(duì)比試驗(yàn)表明旋轉(zhuǎn)件加載的壽命比非旋轉(zhuǎn)加載的壽命高出近1倍。在2015年之前，大眾與奧迪普遍采用旋轉(zhuǎn)件加載模式評(píng)估輪轂軸承滾道接觸疲勞壽命；在2015年后，為加速壽命試驗(yàn)，更改為非旋轉(zhuǎn)件加載模式。目前，整個(gè)行業(yè)普遍采用非旋轉(zhuǎn)件加載模式開(kāi)展耐久性試驗(yàn)，但奔馳、馬自達(dá)仍采用旋轉(zhuǎn)件加載模式執(zhí)行耐久性試驗(yàn)。