汽车轮毂轴承单元正向和逆向开发对比分析

顾晨磊 孟月仙 全泉 陈汉武 赵苏

（泛亚汽车技术中心有限公司）

随着中国汽车产业的迅猛发展及国内汽车的老龄化，有别于4S店维修体系的、类似于汽配城和维修店等模式的汽车独立售后市场得到较快的发展，而适用于这个市场的轮毂轴承单元凭借其较低的价格等优势，成为车主在维修和更换轮毂轴承单元时的选项之一，将在与原厂维修配件的竞争中占有更多的份额。与主机厂正向开发轮毂轴承单元时30万km以上的设计寿命不同，独立售后市场轮毂轴承单元供应商主要依据主机厂的前装件进行逆向开发，其设计寿命从10万km到30万km不等。这2种开发模式因特点不同而适用于不同的客户群体。文章将讨论并对比轮毂轴承单元的正向开发和逆向开发这2种模式在开发流程、材料工艺及试验验证等方面的异同，并就轮毂轴承单元及其生产商的发展进行分析。

1 轮毂轴承单元的发展过程和趋势

轮毂轴承的单元化过程分为4个阶段。1）传统轮毂轴承（也称0代轮毂轴承）采用2套单独的圆锥滚子轴承或者球轴承，在整车装配时需要人工进行游隙调整、预紧及添加润滑脂等工序，装配难度较大，导致成本过高且可靠性较差。2）20世纪30年代出现并于60年代实现批量装车的第1代轮毂轴承[1]由外圈整体型双列角接触球轴承或双列圆锥滚子轴承（填入润滑脂和带密封的普通型轴承）组成，具有可靠、有效载荷间距短、易安装、无需调整和再润滑及结构紧凑等优点，广泛应用于我国早期引进的车型。但是，为了确保装车时的轴承预紧力，对轮毂轴承沟心距精度要求较高。3）与第1代轮毂轴承相比，第2代轮毂轴承单元在轴承外圈上一体化了一个用于固定轴承的法兰，可以直接通过螺栓将轮毂轴承单元连接到悬架上或安装到制动盘上，整体质量较轻，装配部件数较少，更加易于安装。4）第3代轮毂轴承单元则是在第2代轮毂轴承单元的基础上，把轮毂、ABS传感器及轴承套圈等与轴承相配合的零件制成整体化的形式。其设计结构包括内法兰和外法兰，内法兰与驱动轴固定，外法兰则将整个轴承套装在一起。第3代轮毂轴承单元刚性更高，通过预置预紧载荷并预调游隙[2]使之安装更加方便，且易安装ABS传感器，能极大地提高各主机厂的总装效率。目前，各大主机厂的新车型项目基本都在采用第3代轮毂轴承单元。从最初的传统轮毂轴承到现在各大主机厂大批量使用的第3代轮毂轴承单元，其集成化程度和生产效率越来越高，安装越来越便利。

此外，第4代轮毂轴承单元[3]在21世纪初已经初步研制成功，它把等速万向节与轴承做成了一个整体，通过台架试验和道路试验得到了部分主机厂的认可，相信在不久的将来就会被应用于各类汽车上。它将有效地解决现有技术中由于轮毂与等速万向节一体结构使得轮毂尺寸增大和质量增加的缺点，但是，这个设计会在售后维修时增加单件的更换成本。

2 轮毂轴承单元正向开发和逆向开发的对比

轮毂轴承单元的开发模式主要分成2类：一类是以整车厂的车型开发为导向，供应商根据车型需求和参数进行前装轮毂轴承单元的正向开发。整车出厂及4S店所更换的维修件均是正向开发的轮毂轴承单元件，目前，在国内这一类零件的生产供应商主要以外资和合资品牌为主，因批量化供货，其生产自动化程度相对更高。另一类则是以汽车独立售后市场需求为导向，依照前装轮毂轴承单元进行的逆向开发。独立售后供应商会依托市场数据，根据市场反馈、客户需求及相关市场策略，选取销量较大的轮毂轴承单元进行开发生产，主要服务于国外客户、出口贸易商及国内代理商等，也为某些大品牌贴牌代工。逆向开发的前期研发工作相对简单，验证投入相对较少，对应不同销售渠道和需求，产品线覆盖更全面，可进行小批量灵活生产，产品价格也相对更低。2种开发模式的开发流程都包括原始输入、产品设计、分析校核及试验验证等环节，现针对开发环节、材料及工艺等方面的区别和相同点进行对比分析。

1）就轮毂轴承单元正向开发的原始输入而言，根据车型的定位和需求，主机厂一般需要向轮毂轴承单元供应商输入该车型的一些与轴承设计相关的关键参数，包括满载质心高度、前/后轮距、前/后满载轴重、前/后轮胎半径、轮胎中心与轴承中心的偏距及轴承与转向节或轮毂配合的外形尺寸和形状等，这些信息决定了轮毂轴承单元的轴向与径向载荷的分布情况和安装空间，影响其结构设计、滚动体尺寸选择及寿命的计算。逆向开发轮毂轴承单元时的原始输入则是针对前装件内外部尺寸的测量。其中，外部尺寸主要测量其内径、外径、单元宽度及法兰盘配合尺寸等参数；内部尺寸测量则需要在解剖前装轮毂轴承单元后进行，包括滚动体直径和内外沟道直径等。这就要求供应商至少需要准备2个原厂件作为参考来进行轮毂轴承单元的逆向开发。从材料选用和尺寸设计角度来说，供应商在逆向开发时必须要尽可能地保证轴承内径、单元宽度、法兰盘孔直径及圆周直径等配合尺寸和前装件一致，其余尺寸的设计和材料的选用则可以根据客户对产品的寿命需求、现有的供应商体系、材料规格及设计经验进行相应的调整。

2）从轮毂轴承单元的受力分析和样件试制的角度来说，正向开发和逆向开发的区别相对较小，却也非常关键。受力分析一般都是依据有限元分析软件进行，正向开发在进行受力分析时，其受力输入是主机厂提供的载荷数据。而逆向开发时的受力分析则是按照经验载荷值进行校核，因此会存在一定的偏差。样件试制的区别根源主要在供应商本身的生产能力、经验能力、工艺水平及是否有主机厂的信息支撑。目前，轮毂轴承单元主轴固定小内圈的方法有螺母锁定、外部压装及现在很常用也比较先进的摇碾铆合3种技术。选用何种设计和生产工艺源于客户需求的不同和供应商本身的能力差异。而密封失效是轮毂轴承最常见的失效现象之一，密封元件的选用和密封结构的设计也是产品质量的决定性因素。此外，目前常见的ABS轮速传感器分为脉冲发生圈、磁性脉冲圈、被动传感器及主动传感器等，选用何种传感器及能否保证传感器信号的稳定性，都会影响样件试制甚至零件量产后的产品水平和质量稳定性。

3）主机厂在正向开发过程中通常都会通过零件级和整车级等试验来保证零件性能、寿命及与整车的匹配性。整车级路试更是主机厂最信赖和最直接的考核依据，用以考核轮毂轴承单元在各种环境、速度及路况下的耐久性能、密封性能及噪声水平等。而逆向开发出于对成本的考虑，再加上试验资源和开发周期等因素的制约，一般只进行相关的零件级试验[4]。对于目前轮毂轴承单元的独立售后市场，包括一些知名品牌在内的大部分轮毂轴承单元供应商，在逆向开发时通常只借鉴了正向开发零部件级的耐久性试验、泥浆喷溅试验及法兰盘旋转疲劳试验这3个试验项进行相关的性能验证，而这3个试验项的验证过程和参数也与正向开发存在区别。正向开发轮毂轴承单元的主机厂供应商在进行这些试验时所加载的载荷都是基于主机厂的原始输入而计算获得；而独立售后市场的供应商则无法进行这种精确的操作，他们在试验过程中的载荷加载在某种程度上是基于自己的经验，或是和客户商讨确定，一般会低于前装件的试验载荷。此外，轮毂轴承单元在正向开发和逆向开发时设计寿命的不同也决定了他们进行耐久性等试验时采用不同的要求和周期。

除了这3个试验项之外，主机厂在正向开发轮毂轴承单元时，通常需要进行的零件级试验项还包括密封气密性能试验、静强度试验、刚度试验、轴承摩擦力矩试验、微动磨损试验、螺栓打滑试验（也称抗扭转试验）、螺栓压出力试验、抗冲击试验及耐腐蚀试验甚至高速耐久试验等。其中有些试验项是逆向开发时所不需要的，比如微动磨损试验，它是模拟整车物流过程中轴承由于路途颠簸和汽车自重引起轴承内部沟道撞击失效而设置的，独立售后市场配件基本不会存在整车运输的过程，自然也就不再需要；再比如静强度和刚度试验，由于该试验的考核内容与法兰盘的材料性能及尺寸息息相关，且前装轮毂轴承单元在正向开发时已经进行了该项试验，因此，逆向开发轮毂轴承单元时只要保证了材料和尺寸与前装件的匹配性，理论上也可以不进行该项试验。但是，在除去这些在逆向开发时可以不进行的试验项之外，作为负责任的独立售后品牌，建议最好再加上轴承摩擦力矩试验、螺栓牢固性试验及抗冲击性能试验。摩擦力矩较小的轮毂轴承单元有助于降低油耗，同时也从某个程度上反映了轮毂轴承单元的预紧力水平和密封性能，因此，摩擦力矩试验在逆向开发轮毂轴承单元时还是有必要进行的；法兰盘螺栓的牢固性是保证轮毂轴承单元与制动盘或轮毂能稳定连接的关键零件，这也是选择螺栓时对其性能等级有要求的原因之一，因此，包括螺栓抗扭转试验和压出力试验在内的螺栓牢固性能试验是轮毂轴承单元安全件所需要的；抗冲击性能试验则是模拟汽车行驶时车轮撞到路肩时的工况，是考核轮毂轴承单元法兰盘在撞击路肩时的破坏情况，是汽车撞击时车主安全的保障之一。

4）无论是正向开发还是逆向开发，轮毂轴承单元的材料和工艺都非常接近，如表1所示。因而很多轮毂轴承单元的前装供应商会同时拥有这2类业务。

表1 轮毂轴承单元常见材料

通常，轮毂轴承单元供应商的自制子零件只有带凸缘的法兰盘和小内圈2类，其关键工艺在于热处理和磨加工。热处理主要包括整体淬火、沟道感应淬火及退火，每个供应商在热处理的温度和时间控制方面都可能会有细微的差别，但是对零件的考核都主要以表面硬度为考核维度且都是接近的。而在磨加工方面，一般都会有车加工、沟道精磨及沟道超精磨。其中，很多供应商都会在沟道超精磨加工时将内外圈进行组合磨加工，以保证其配合和游隙尺寸。此外，大型的前装供应商一般会在探伤方面执行得更加严格，基本上在生产线上会对所有法兰盘进行探伤，而大部分独立售后市场供应商则可能只会进行抽检探伤。

3 结论

文章从汽车轮毂轴承单元的作用和结构切入，主要从汽车轮毂轴承单元的开发流程、关键生产工艺、所使用的材料和标准及零件试验验证等角度详述并分析了逆向开发和正向开发汽车轮毂轴承单元的差异。总结出，正向开发的轮毂轴承单元的开发流程更完善、更合理，试验验证也更加全面，但是相应的开发周期更长，成本也更高，主要用于整车装配或者4S店维修体系；而逆向开发的轮毂轴承单元开发流程相对简单，试验验证相对精简，所需要的开发周期和成本也较低，更多地适用于出口贸易和国内的汽配城及维修店等汽车独立售后市场。车主在理解汽车轮毂轴承单元的关键性能和质量因素之后，就能更好地根据自己的实际需要和预算去选择合适的轮毂轴承单元。同时，文章也为汽车轮毂轴承单元生产商更合理、更规范地进行轮毂轴承单元的逆向开发提供了一定的参考。