汽车轮毂轴承密封件的技术开发(防泥水密封,低温环境密封和超低力矩密封)
轮毂轴承对汽车传动系统阻力影响及其优化研究
摘要在石油资源紧缺和环境污染日益严重的背景下，某车企为满足油耗法规要求，急需对某款油耗较高的前置前驱MPV车型进行阻力优化研究。
本课题采用理论分析与试验研究相结合的方法，探究目标车型传动系统的阻力水平与分布规律，明确关键传动部件-轮毂轴承对传动系阻力特性的影响比重与优化空间。
分析影响轮毂轴承摩擦力矩的相关因素，试验探究各因素对其摩擦力矩的影响规律，并制定优化方案。
将优化后的样件装车并进行整车阻力与油耗试验，验证优化措施的有效性。
本文的研究工作及成果如下：（1）分析车辆动力传递过程中传动系的能耗损失，使用逐级拆解的测试方法对目标车和对标车传动系进行阻力分布测试。
试验结果表明，目标车的整车空挡平均阻力分别高于两对标车14N与33.4N。
传动系中轮毂轴承+轮胎部分的阻力占总传动阻力的比重最大。
且与对标车相比，目标车轮毂轴承阻力性能存在较大的优化提升空间。
（2）对轮毂轴承单元所受摩擦力矩进行分析，明确影响其摩擦力矩的相关因素。
研究表明轮毂轴承的密封和润滑脂部件对其摩擦力矩有重要影响。
对密封型式与结构参数进行优化，优化后的密封件可降低轮毂轴承摩擦力矩12%。
对润滑脂配方进行优化，试验表明所得测试油脂最高可降低轮毂轴承摩擦力矩9.9%。
（3）对轮毂轴承的最佳工作游隙进行研究，分析负游隙对轴承摩擦力矩与疲劳寿命的影响。
摩擦力矩试验表明，负游隙绝对值越小，轴承摩擦力矩越小，在轴承要求的公差范围内最高可降低摩擦力矩11%。
将负游隙绝对值减小并控制在0.01~0.02mm之间，经疲劳寿命试验验证，该范围的轮毂轴承可满足疲劳及可靠性要求。
（4）制定轮毂轴承的优化方案，并进行样件试制。
将原厂轮毂轴承与优化后的样件先后装车，进行整车阻力及整车燃油经济性试验。
试验结果表明，优化后的轮毂轴承可使整车传动系阻力矩大幅降低，其中左前轮阻力矩降低6.35%~19.28%，右前轮阻力矩降低18.41%~21.22%；同时整车油耗降低了80mL/100km，降低百分比为1.1%。
汽车轮毂轴承的研发介绍
100 q1,% q2,% q3,%
L L L L com,km Lcom,h average _ speed (km/ h)
2.3.4、系统的寿命计算
1/ e
Lsystem
1 Le
com,inside
1 1e
Lcom,outside
e ：指数 球轴承 e＝10/9； 滚子轴承e＝9/8
1.3 轮毂轴承的特性和功能 ◎很好 ○好 △较差
1代
2代
3代
特性
项目
球
球
滚子
滚子
球
滚子
球
外圈旋转
内圈旋转
外圈旋转
内圈旋转
承载能力
○
◎
○
○
◎
◎
○
功能性
轴承刚性
△
◎
△
△
◎
◎
○
旋转力矩
○
△
◎
○
△
△
◎
抗阻滞性
◎
△
◎
◎
△
△
◎
减轻轴重
△
△
○
○
○
○
◎
紧凑性
径向空间
△
△
△
△
◎
◎
◎
宽度空间
○
△
◎
◎
○
○
◎
无密封
无密封
3、轴承失效的分析
海宁奥通汽车零件有限公司常年对试验件及售后三包件进行分析时，发现了多种原因，会导 致轴承提前失效，常见的失效模式及原因：
1、预紧不足导致 轴承失效：
预紧不足的原因有很 多，除轴承自身设计 时要保证安装后有一 定的预紧力之外，(该 预紧力要求在车厂， 制动器总成厂和轴承 厂之间有时得不到完 全传递)，还要要求轴 承在使用过程中，除 轴承自身磨损导致预 紧力轻微降低之外， 对轴承进行预紧的相 关零件不得发生过大 的变化，导致轴承的 预紧消失，常见的原 因见右图。
第三代轮毂轴承单元密封件的设计与性能验证_周旭
第三代轮毂轴承单元在结构上集成了轴承座 和凸缘， 使得其在旋转精度、 可靠性、 可装配性、 易 维修性方面有了很大提高。 由于汽车轴承耐久性 所以避免出现滚道疲劳失效 和高可靠度的要求， 以外的失效也是第三代轮毂轴承单元设计的一个 重点。密封件失效就是其中一种比较常见的失效 它会导致： （ 1 ） 外界的泥沙、 粉尘和水汽等污 形式， 使轴承产生异响， 加速沟道和钢 染物侵入轴承中， 球的磨损， 使钢球、 沟道表面出现疲劳剥落
5
结束语
介绍了几种常用的密封件结构和常用的橡胶 材料， 通过示例提出密封件的配合设计要求， 给出 并对密封件的试验进行了介绍。 了相关参数， 参考文献：
［ 1］ 李婉， 吴振东． 汽车轮毂轴承密封结构现状及发展 ［ J］ ． 轴承， 2008 （ 7 ） ： 47 － 51 ， 53． ［ 2］ Harris T A． Rolling Bearing Analysis［ M］ ． 5 ed． Boca Raton： CRC Press Inc． ， 2007． ［ 3］ 机械设计手册编委会． 机械设计手册： 第 2 卷［ M］ ． 2004． 3 版． 北京： 机械工业出版社 ， ［ 4］ 余志生． 汽车理论［ M］ ． 3 版． 北京： 机械工业出版 2000． 社， （ 编辑： 赵金库）
1 轮毂轴承性能试验大纲
车型零部件性能试验试验大纲产品名称：轮毂轴承产品图号：试验类型：性能检验试验日期：编制：审核：批准：1.试验依据：乘用车及商务车轮毂轴承技术标准2.试验目的：验证产品的性能是否满足要求。
3.试验对象：轮毂轴承。
4.要求：负荷试验机的压力不小于10KN，室温在20±1℃。
5.试验方法5.1密封泥水试验5.1.1定义：泥水试验是使轴承在泥浆水喷溅的条件下，用轴承寿命来描述轴承防泥水能力的试验。
5.1.2试验准备5.1.2.1样本容量：2套，抽样4套，其中2套为备品及分析用5.1.2.2样品套圈的端面上逐套编号5.1.2.3样品在各项测试前应擦试干净，不得有油污5.1.2.4称质量采用的天平精度应不低于6级，并定期鉴定.5.1.2.5轴承在上机试验前称其质量5.1.2.6与轴承配合的轴与壳体的公差应符合要求5.1.2.7试验轴承必须安装正确,不得有压偏现象,不准敲打密封圈5.1.3试验条件5.1.3.1试验机为通过鉴定合格的轴承试验机5.1.3.2试验条件:泥水应符合：JISZ8901 8级，重量比为5%；流量：1×103m3/min转速：N=300rpm时，向密封件喷溅试验1小时N=1000rpm时，不喷溅试验1小时目标时间：100小时5.1.4试验过程5.1.4.1凡因设备仪器故障或操作人员违反试验规程造成轴承失效时,应从记录中剔除5.1.4.2试验轴承出现异常振动、噪声及其它异常现象时，应及时停机处理5.1.4.3试验在载荷下起动和停机5.2漏脂试验5.2.1定义：漏脂试验是轴承在一定条件下运转，用轴承腔内润滑脂泄漏到轴承外部的情况来描述其防漏脂能力的试验。
5.2.2试验准备5.2.2.1样本容量：4套，抽样数量6套，其中2套为备品及分析用。
5.2.2.2样品套圈的端面上逐套编号5.2.2.3样品在各项测试前应擦试干净，不得有油污5.2.2.4称质量采用的天平精度应不低于6级，并定期鉴定.5.2.2.5轴承在上机试验前称其质量5.2.2.6与轴承配合的轴与壳体的公差应符合要求5.2.2.7试验轴承必须安装正确,不得有压偏现象,不准敲打密封圈5.2.3试验条件5.2.3.1试验机为通过鉴定合格的密封轴承试验机5.2.3.2试验条件:试验转速：900转/分环境温度： 10~30ºC试验径向载荷：1500N试验时间：48小时螺母扭紧力：200Nm~260Nm5.2.4试验过程5.2.4.1开始每30分钟记录一次轴承温度及环境温度,待温度稳定后,每一小时记录一次.5.2.4.2凡因设备仪器故障或操作人员违反试验规程造成轴承失效时,应从记录中剔除5.2.4.3试验轴承出现异常振动、噪声及其它异常现象时，应及时停机处理5.2.4.4试验在载荷下起动和停机5.3强化试验5.3.1 本试验大纲制定参考STI-03C标准改动而成的。
NSK第三代轮毂轴承的开发_蒋兴奇
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由赫兹接触理பைடு நூலகம்可知 [2 ]
(1 (1 δ= δ3 [ 3 Q ( + ρ 2∑ E1 E2 δ 式中 赫兹接触变形 δ3 接触变形常数 Q
2 v1 ) 2 v2 )
]2/ 3
∑ ρ ( 1) 2
ρ ∑
v E
赫兹接触载荷 两接触体接触点曲率和 两接触体泊松比 两接触体弹性模量
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 轴密封 密封圈 双唇密封 低摩擦整体式密封 具有侧密封唇的轴密封 具有侧密封唇的密封圈 整体式密封 耐泥浆性能 一般 良 优 极优 极优 极优 极优 摩擦力矩 极优 优 极优 优 优 优 一般 成本 极优 优 优 良 优 良 一般
・48 ・
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 α— — — 接触角
i,o— — — 分别代表钢球与内沟道和外沟道的
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
接触变形常数q赫兹接触载荷jd两接触体接触点曲率和两接触体泊松比e两接触体弹性模量由1式可得轮毂轴承轴向刚度鼠第个钢球与滚道的赫兹接触刚度k轮毂轴承轴向刚度z单列钢球数口接触角i0分别代表钢球与内滚道和外滚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凡恐sine由2一4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
汽车轮毂轴承有限元仿真分析
预设多种凸度匹配关系，分析其在不同载荷作用下，最大主应力，接触长度的变 化情况，综合总体分析结果，确定最佳凸度及匹配关系。通过理论计算，给出凸 度控制方程。 这种方法的优点是考虑整体应力、 变形情况， 确定的凸度更为合理； 缺点是模型复杂，计算量大，收敛性差。 （3）凸度混合有限元分析 凸度混合有限元分析采用凸度局部有限元分析确定若干组凸度， 用凸度整体 有限元分析对所确定的凸度进行分析，综合优化分析结果，确定最终凸度方程。 这种方法模型相对简化， 减小了计算量、 提高了收敛性， 凸度计算结果更趋合理。 2. 第二代圆锥滚子轮毂轴承凸度局部有限元分析 分析对象为轿车前轮毂双列圆锥滚子轴承，结构型式为；内圈分离，外圈整 体结构，带法兰盘，属第二代产品。 2．1 滚子与滚道凸型和凸度量的确定 根据国内外轴承样品的对比分析结果及在滚子与滚道多种设计方案进行分 析的基础上， 仅对滚子与内圈有凸度的情况进行仿真分析，并提出如下滚子与滚 道凸度设计原则，在轻载时，滚子的有效接触长度为滚子长度的 60%-70%，重载 时，不出现应力集中。在此选择的凸型为修正对数曲线，采用滚子、内圈滚道带 凸度的“2 凸”设计，并对四种情况的凸度匹配关系进行对比分析。 四种情况所给出的凸度量分别为： 滚子和滚道无凸度； 滚子凸度： 2.4μm, 内 圈滚道凸度：5μm；滚子凸度：8μm, 内圈滚道凸度：10μm；滚子凸度：15μ m, 内圈滚道凸度：15μm。 2．2 滚子和滚道凸度有限元模型及仿真分析 在轴承中， 由于滚子和滚道的接触特征完全一致，因此用一个滚子和滚道接 触的局部模型就能够进行整体的凸度仿真分析。采用 ANSYS 有限元分析软件进 行分析，图 2.1 给出了有限元分析网格划分模型。 2．3 分析结果
（轴承承受的径向载荷为 0.3Cr，滚
汽车轮毂轴承列表目录
汽车轮毂轴承列表目录汽车轮毂轴承是一种重要的汽车零部件，其质量直接关系到汽车行驶安全和舒适性。
随着汽车行业的不断发展，汽车轮毂轴承的需求也随之增加。
为了方便外贸行业从业人员了解汽车轮毂轴承的相关信息，以下是一个涵盖汽车轮毂轴承的列表目录。
1.汽车轮毂轴承的定义和功能-汽车轮毂轴承的定义-汽车轮毂轴承的功能-汽车轮毂轴承的重要性2.汽车轮毂轴承的分类-按结构分类-滚珠轴承-圆锥滚子轴承-调整型滚子轴承-按应用领域分类-前轴轴承-后轴轴承-轮毂轴承3.汽车轮毂轴承的主要材料-铸铁-铸钢-不锈钢-铝合金4.汽车轮毂轴承的主要制造工艺-热处理工艺-加工工艺-滚球磨削-车削加工-精加工5.汽车轮毂轴承的市场前景和发展趋势-汽车轮毂轴承市场规模和增长趋势-汽车轮毂轴承的发展潜力和机遇-汽车轮毂轴承的竞争格局和市场前景6.汽车轮毂轴承的检测和质量控制-轴承的尺寸测量和精度控制-轴承的噪音和振动检测-轴承的可靠性和寿命预测7.汽车轮毂轴承的国际贸易政策和标准-汽车轮毂轴承的国际贸易政策-汽车轮毂轴承的国际质量标准-汽车轮毂轴承的国际贸易保护措施8.汽车轮毂轴承的关键厂家和品牌-汽车轮毂轴承的国内知名厂家-汽车轮毂轴承的国际知名品牌-汽车轮毂轴承的新兴企业和品牌9.汽车轮毂轴承的进出口贸易情况-汽车轮毂轴承的进口情况-汽车轮毂轴承的出口情况-汽车轮毂轴承的贸易流向和贸易额10.汽车轮毂轴承的相关行业规范和技术要求-汽车轮毂轴承的国内行业标准-汽车轮毂轴承的国际行业标准-汽车轮毂轴承的技术要求和质量要求11.汽车轮毂轴承的市场竞争状况和发展方向-汽车轮毂轴承的市场竞争状况-汽车轮毂轴承的发展方向和趋势-汽车轮毂轴承的创新和技术进步12.汽车轮毂轴承的售后服务和维修保养-轴承的故障诊断和维修方法-轴承的保养和润滑要求-轴承的售后服务和质量保证以上是一个涵盖汽车轮毂轴承的外贸行业列表目录，通过对这些内容的了解，可以更好地进行汽车轮毂轴承的采购、销售和售后服务工作。
汽车轮毂轴承疲劳失效分析及预防研究
汽车轮毂轴承疲劳失效分析及预防研究中文摘要汽车轮毂轴承疲劳失效分析及预防研究中文摘要汽车轮毂轴承是汽车底盘及传动机构中非常重要的零部件之一，作用主要是承受汽车的重量及为轮毂的传动提供精确的向导。
轮毂轴承既承受径向载荷又承受轴向载荷，当汽车在斜面上转弯时还受到轴向力产生的弯矩作用，是一个非常重要的安全件，同时也是易损坏的零部件。
轴承的失效模式按照ISO 15243:2004(E)中的定义主要有疲劳、磨损、腐蚀、电腐蚀、塑性变形和破裂。
在正常使用条件下，轴承主要的失效模式是疲劳。
随着国内汽车产量不断攀升，2009年已经突破1000万台，轮毂轴承的产能也急剧增长，随之而来的汽车使用与保养尤其是属于安全件的轮毂轴承的使用及保养注意事项也需要有专门的人员参与研究。
通过对国外第一和第二代轮毂轴承（FAG）失效模式的统计和分析发现,在保修期内，最常见的失效模式是疲劳损伤，包括局部浅层疲劳和表层疲劳两种失效形式，具体表现为内外圈滚道和滚动体表面有疲劳裂纹或材质剥落。
结合轮毂轴承工作特点及对失效轴承的组织、硬度、材料和润滑状况分析，提出造成轴承疲劳失效的原因大多与轴承设计、轴承体材质、工艺关系甚小，而润滑不良致使润滑油膜形成不理想或游隙过大致使接触面滑动时，除在接触表面存在赫兹应力，还会在接触表面下方产生交变剪切应力，这种剪切应力会导致表面的材质疲劳而产生疲劳裂纹，然后扩展到表面形成材质剥落。
本文通过对汽车轮毂轴承零组件设计及润滑系统的客观分析以及对轮毂轴承疲劳失效成因的详细阐述，目的希望汽车使用者能更好的去预防疲劳失效，避免造成更多的，不必要的损失。
关键词：轮毂轴承；FAG；疲劳失效；滚道；滚动体；游隙；赫兹应力作者：陈雪峰指导教师：卫瑞元Abstract Failure Analysis & Prevention of Wheel bearing of Automobile due to FatigueFailure Analysis & Prevention of Wheel bearing ofAutomobile due to FatigueAbstractWheel bearing is one of the most important part in chassis and transmission of the Vehicle, which stands the weight and guides. On wheel bearing there are different force and torque, it’s a part related with safety.About deformation is described as ISO 15243:2004(E), there are fatigue failure, wear limit, corrosion wear, plastic deformation and broken, mostly is fatigue failure.With the development of the automotive industry, the demand of wheel wearing raises rapidly. So more and more people concern with the bearing.Analyzing the data of FAG, within the warranty there are deformations, partial shallow fatigue and surface, which can be found at wrinkle and material peeling from inner and outer trail and rolling surface. According to a series of FAG about metallographic structure, hardness and lubrication, This thesis concludes the result proposes that such failures are independent of material choice and manufacturing technology, the main cause are due insufficient lubrication and excessive clearance, besides Hertz force the varying stress are applied. This stress can cause surface material fatigue, as well as wrinkles and material peeling off.In this thesis, analyses the causes of the deformation, and suggests the user how to use the bearing efficient.Key words: Wheel bearing,FAG, fatigue failure, raceway, rolling elements, clearance, Hertz stressWritten by：Chen XuefengSupervised by：Wei RuiYuan苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明学位论文独创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。
第三代轮毂轴承单元密封件的设计与性能验证
图 １ 第 三代 轮 毂 轴承 单元 结 构 图
２ 密封 件 结构 及 材 料 选 择
第三代轮毂轴承单元密封件 由于结构的限制
和低 成本 的需 要 ， 一般 将 密封 件 设 计 为单 片 式 ， 常 见 的结 构见 表 １ 。
析， 在不旋转的外 圈和旋转 的凸缘之间（ 图中放大
！
＝Ｚ
轴承
２１年７ ０ ２ 期
ＣＮ４１ — １ ４８／ １ ＴＨ Ｂｅ ｒｎ ａ ｉ ｇ２０１ ， ２ Ｎｏ． ７
第三代轮毂轴承单元密封件的设计 与性能验证
周旭 ， 汪峰 ， 宝象 邱
（ 浙江万 向精Ｚ 有限公司 ， － 杭州 ３ １０ ） １２ ２ 摘要 ： 论述 了第三代轮毂轴承单元密封件 的重要性 和密封结构 的设计 要点 ， 比分析 了部分 常用密封件 的结构 对 特点及其优 、 缺点 ， 给出了密封件设计的一些基本经验及建议 ， 并对 密封件 密封性 能 台架 试验验证 的方 法和要 求进行 了介绍。 关键词 ： 第三代轮毂轴承单元 ； 密封件 ； 计 ； 限元 ； 设 有 台架试验
中 图 分 类 号 ：Ｈ１３３ １ Ｔ ３ ．３ 文 献 标 志码 ： Ｂ 文章 编 号 ：０ ０— ７ ２ ２ １ ） ７— ０ ２— ３ １０ ３６ （ ０ ２ ０ ０ ６ ０
Ｄｅ ｉ ｎ ａ ｐ ｒｍ ｅ ｔ ｌＶａ ｉ ａ ｉ ｎ ｆ ｒ Ｓ ａｓｏ ｓｇ ｎｄ Ｅｘ ｅ ｉ ｎ ａ ｌｄ ｔｏ ｏ ｅ ｌ ｆＨｕｂ Ｂｅ ｒｎｇ Ｕｎｉｓ Ｇ３ ａｉ ｔ
内部油脂 向外 侧泄 漏 ， 造成 润 滑 不 良， 响产 品 寿 影
定 的间隙 ， 了要 阻止外界污染 物进 入到轴承 除
内部 ， 防止 内部 油脂 泄 漏 ， 同时也 要 避 免 过大 的转
轴承密封介绍
3、RS-轻接触式胶盖密封
使用环境：电机、水泵、汽车涨紧轮等NZSB-6001现有结构
NZSB采用三唇RS 结构，润滑油进入 后，轴承基本无异 常磨损
优点：1、主唇与迷宫式密封槽轴向接触，启动力矩和发热量微量增加；2、 由于主唇轴向接触密封，2个副唇径向间隙密封，因此具有较好的防尘效果。 缺点：1、对密封槽及密封圈形状要求较高；2、不具备防水效果。
加工，降低了密封材料的摩擦损耗， 延长了密封寿命 • 6、特殊的密封唇设计可以自动补 偿密封的磨损。 • 缺点：摩擦力矩很大
杭州驰创机械ห้องสมุดไป่ตู้限公司
7、复合密封
使用环境：汽车、农机等
• 1、内面密封唇提高对油脂的 保持力
• 2、加固的橡胶材料可以更好 的防止冷冻剂进入轴承
• 3、为了减小扭矩和提高密封 性能，采用最优化结构的密封 唇
封，防止润滑外泄和水汽进入； 3、第二副唇的联合配合，实现了径向
密封与轴向密封的联合作用，同时 对延长了密封圈对耐泥浆水的密封 和抗摩损能力。 缺点： 1、对密封槽及密封圈形状要求较高； 2、对长时间浸泡运转无能为力； 3、启动力矩较大，影响电机功率。
杭州驰创机械有限公司
5、RSL-高密封
使用环境：对低启动力矩有要求，但现场或使用有污 染的场合
优点：造价低，启动力矩低，可实现高温、低温工况通用 缺点：密封间隙较大（一般0.4mm以上），防尘性低
杭州驰创机械有限公司
2、RZ-非接触式胶盖密封
使用环境：电机等
WTOO-6001结 构---2RZ
轴承进油后顺坏 的情况
优点：1、2个密封唇口均与轴承不发生接触，启动力矩低，发热量小；2、对密封 圈和密封迷宫槽的制造精度要求低，成本相对较低；3、由于采用迷宫式密封结构 ，具有良好的防尘效果。 缺点：1、密封间隙MAX0.2mm,对粉尘较多和泥水及水汽场合无抵御能力