乘用車輪轂軸承性能試驗(yàn)方法綜述

黃德杰，周旭，汪峰，郭權(quán)，劉煜

(浙江萬向精工有限公司,杭州 311215)

伴隨汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，行業(yè)競爭日趨激烈，對(duì)汽車零部件品質(zhì)的要求越來越高，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)，沒有統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)。各國在工業(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、中國機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB等，但并沒有出臺(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)。

表1 輪轂軸承性能試驗(yàn)項(xiàng)目

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)車道路的行駛過程中，采用安裝于輪端[1]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)[2]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[3-4]，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。

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[5-6]。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。

圖2 輪轂軸承耐久性試驗(yàn)載荷譜的研制流程

3)日系車企的載荷譜制定思路相對(duì)簡單，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[7]。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)，尤其是國內(nèi)軸承公司，為滿足國內(nèi)缺乏載荷譜研究的主機(jī)客戶開發(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[8]。目前，整個(gè)行業(yè)普遍采用非旋轉(zhuǎn)件加載模式開展耐久性試驗(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)[9]。

圖3 輪轂軸承耐久性試驗(yàn)的加載模式

2)試驗(yàn)載荷方向的標(biāo)定。在20世紀(jì)90年代前，汽車輪轂軸承行業(yè)未開展臺(tái)架上加載載荷方向?qū)υ囼?yàn)壽命影響的深入研究，基本為機(jī)械式地照搬借用。實(shí)際上，耐久性試驗(yàn)是對(duì)車輪受載的模擬，試驗(yàn)臺(tái)架上載荷方向的標(biāo)定應(yīng)與整車坐標(biāo)系中的方向定義保持一致。以圖3所示原理圖為例：當(dāng)采用旋轉(zhuǎn)件加載執(zhí)行試驗(yàn)時(shí)，與整車條件一致，其加載方向也應(yīng)與車輪受力方向一致；而采用非旋轉(zhuǎn)件加載時(shí)，根據(jù)作用力與反作用力的關(guān)系，其加載方向應(yīng)與車輪受力方向相反。

3)冷卻方式的執(zhí)行。以整車在路面行駛為基準(zhǔn)，輪轂軸承在此過程中不斷與外界發(fā)生熱交換，該條件在輪轂軸承耐久性試驗(yàn)中應(yīng)得到模擬。在20世紀(jì)90年代前，主機(jī)客戶并未在其試驗(yàn)規(guī)范中明確冷卻的執(zhí)行細(xì)則，軸承制造商在實(shí)驗(yàn)室一般采用強(qiáng)制氣流進(jìn)行試驗(yàn)全程的冷卻。近年來，通過研究輪轂軸承試驗(yàn)條件對(duì)其滾道壽命的影響[10]，發(fā)現(xiàn)輪轂軸承試驗(yàn)的散熱條件對(duì)其壽命存在顯著影響。隨著對(duì)該條件研究的逐漸深入，大眾與寶馬分別制定了90 ℃與80 ℃作為冷卻執(zhí)行的臨界點(diǎn)，并規(guī)定冷卻氣流必須為自然風(fēng)，而非強(qiáng)制壓縮氣流，其他德系、美系、日系車企也在該冷卻模式上逐漸達(dá)成共識(shí)。

4)工裝條件的采用。工裝條件在于對(duì)輪轂軸承安裝條件的模擬，目前也存在2種處理方法(圖4)：一種是采用替代工裝連接輪轂軸承，另外一種是采用原裝轉(zhuǎn)向節(jié)或車輪支架連接輪轂軸承后再連接試驗(yàn)工裝。相比替代工裝模式，采用原裝轉(zhuǎn)向節(jié)使得試驗(yàn)?zāi)M條件趨于真實(shí)，降低了試驗(yàn)總成剛度，具有提升試驗(yàn)壽命的效果。目前，歐系車企逐漸在引入原裝轉(zhuǎn)向節(jié)或車輪支架開展試驗(yàn)，而美系、日系車企仍維持替代工裝的試驗(yàn)?zāi)Ｊ健?/p>

1—替代輪轂；2—原裝制動(dòng)盤；3—原裝轉(zhuǎn)向節(jié)；4—試驗(yàn)軸承；5—L形加載臂；6—轉(zhuǎn)接工裝

2.1.3 評(píng)判準(zhǔn)則

1)定值評(píng)判法。主機(jī)客戶根據(jù)其典型車型整車道路的壽命試驗(yàn)結(jié)果確定一個(gè)定值來評(píng)判臺(tái)架壽命結(jié)果是否合格。近年來，隨著車型多樣化，整車重量、車輪半徑、車輪偏距、重心高均在發(fā)生變化，這帶來了輪轂軸承工況的變化，從而使得定值評(píng)判法的合理性飽受質(zhì)疑，逐漸被摒棄。

3)比較評(píng)判法。該方法也稱為經(jīng)驗(yàn)法，通過融合定值、變值評(píng)判法進(jìn)行綜合評(píng)估，德系車企多采用該方法，在評(píng)估輪轂軸承供應(yīng)商臺(tái)架試驗(yàn)壽命是否滿足定值要求的同時(shí)，選擇多家供應(yīng)商的壽命進(jìn)行對(duì)比判定。例如，對(duì)于同一個(gè)主機(jī)配套項(xiàng)目，開發(fā)第1家供應(yīng)商并量產(chǎn)，然后開發(fā)第2家供應(yīng)商且要求其提供的軸承試驗(yàn)壽命應(yīng)不低于第1家，這種方法也優(yōu)于定值評(píng)判法。

2.2 彎曲疲勞試驗(yàn)方法

輪轂軸承彎曲疲勞試驗(yàn)的目的是評(píng)判輪轂軸承凸緣類旋轉(zhuǎn)零件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。目前，輪轂軸承行業(yè)存在2類試驗(yàn)原理：1)試驗(yàn)軸承固定，采用彎矩載荷旋轉(zhuǎn)獲得對(duì)輪轂軸承結(jié)構(gòu)的疲勞試驗(yàn)(圖5)；2)彎矩載荷固定，軸承旋轉(zhuǎn)，加載原理與圖4耐久性試驗(yàn)一致。第1類與第2類試驗(yàn)的彎矩載荷M1，M2分別為

M1=mω2rL，

(1)

M2=FaR+FreT，

(2)

式中：m為離心塊質(zhì)量；ω為離心塊旋轉(zhuǎn)角速度；r為離心塊旋轉(zhuǎn)半徑；L為加載力臂長度；Fa為軸向載荷；R為車輪半徑；Fr為徑向載荷；eT為車輪偏距。

1—驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)；2—彈性軸；3—離心塊；4—彎矩軸；5—上調(diào)整板；6—試驗(yàn)軸承；7—下板

彎曲疲勞試驗(yàn)需要評(píng)價(jià)凸緣類旋轉(zhuǎn)零件的疲勞極限，試驗(yàn)采用的彎矩水平均超過0.8g側(cè)向加速度下的載荷，該載荷條件下的軸承滾道接觸應(yīng)力一般達(dá)到了5 000 MPa，采用第2類彎曲疲勞試驗(yàn)方法較難評(píng)估凸緣的疲勞極限，往往出現(xiàn)滾道疲勞剝落失效早于凸緣結(jié)構(gòu)疲勞裂紋失效。美系、日系、部分德系車企(如奔馳)均采用第2類彎曲疲勞試驗(yàn)方法，針對(duì)滾道疲勞剝落的先發(fā)性，可按照定時(shí)截止試驗(yàn)，只要滿足要求的規(guī)定壽命就終止試驗(yàn)，但是難以獲得產(chǎn)品的極限壽命[12]。

由于第2類彎曲疲勞試驗(yàn)方法的局限性，大眾、奧迪、寶馬均采用第1類彎曲疲勞試驗(yàn)方法。軸承不發(fā)生旋轉(zhuǎn)，滾道不存在切向應(yīng)力，采用第1類彎曲疲勞試驗(yàn)方法預(yù)防了滾道疲勞失效，能夠評(píng)判結(jié)構(gòu)件的裂紋。然而，與整車車輪道路運(yùn)行工作特征相比，第1類彎曲疲勞試驗(yàn)方法也存在一定的局限性，以第三代輪轂軸承為例：凸緣旋轉(zhuǎn)，外圈零件不旋轉(zhuǎn)，只有凸緣才存在彎曲疲勞的工況，而外圈零件無彎曲疲勞工況。采用第1類試驗(yàn)方法，因彎曲載荷隨著離心塊360°旋轉(zhuǎn)，使得輪轂軸承的凸緣及外圈零件均存在彎曲疲勞工況，這一點(diǎn)顯然背離了實(shí)際車輛的工況特征。在大量的主機(jī)項(xiàng)目開發(fā)中，率先出現(xiàn)裂紋的零件往往不是凸緣，而是外圈，實(shí)際上也并未評(píng)估出凸緣的疲勞極限壽命。

為解決以上2類彎曲疲勞試驗(yàn)方法的矛盾性問題，浙江萬向精工有限公司于2016年開始研制第3類彎曲疲勞試驗(yàn)方法并逐步應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品的開發(fā)，其核心是改進(jìn)第1類彎曲疲勞試驗(yàn)方法，通過研制特種工裝摒棄輪轂軸承的外圈、內(nèi)圈與鋼球等零件，僅在試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)凸緣進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。采用第3類彎曲疲勞試驗(yàn)方法的某凸緣試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，在軸頸部探傷出裂紋，試驗(yàn)效果十分理想。

圖6 第3類彎曲疲勞試驗(yàn)方法失效模式

2.3 密封試驗(yàn)方法

輪轂軸承密封試驗(yàn)的目的是評(píng)判輪轂軸承的密封性能。在實(shí)際車輛運(yùn)行中，車輪的運(yùn)行環(huán)境較為惡劣，外界的高、低溫，涉水路面，雨水、潮濕天氣均對(duì)輪轂軸承的密封提出了高要求。為最大程度的模擬整車的運(yùn)行環(huán)境，需要引入以下5類密封試驗(yàn)條件：

1)載荷。主機(jī)廠均在0g與±0.3g的載荷條件中來回切換，載荷對(duì)密封試驗(yàn)結(jié)果的影響主要是對(duì)試驗(yàn)總成的剛度影響[13]，過大載荷引起過大的剛度傾角，對(duì)密封唇口產(chǎn)生“打開”效果，降低試驗(yàn)軸承的密封性。

2)泥漿配方。泥漿成分主要包括標(biāo)準(zhǔn)亞利桑那粉塵[14]、氯化鈉、氯化鈣、碳酸氫鈉、純凈水等，不同配方中各成分的占比有所差異。高比例的鹽分會(huì)增加零件的腐蝕，促進(jìn)金屬零件表面材料的腐蝕脫落，而高比例的粉塵將加劇密封唇口的磨損。

3)泥漿流量。泥漿流量過大不僅會(huì)加大泥漿參與磨損面積，還會(huì)對(duì)唇口產(chǎn)生一定的沖擊壓強(qiáng)。若密封唇口接觸壓力過小，易被沖開發(fā)生失效。

4)噴管。主機(jī)客戶采用的噴管數(shù)量并不統(tǒng)一，一般不少于2根，一根對(duì)準(zhǔn)內(nèi)側(cè)密封噴射，另一根對(duì)準(zhǔn)外側(cè)密封噴射；也存在采用4根噴管的情況，2根對(duì)應(yīng)內(nèi)側(cè)，2根對(duì)應(yīng)外側(cè)。噴管數(shù)量越多，噴射距離越近，在同等流量下對(duì)密封的磨損越嚴(yán)重。

5)工裝條件。德系(大眾、奧迪、寶馬、奔馳)和部分日系(馬自達(dá))車企在密封試驗(yàn)中引入了輪轂軸承的原裝周邊零件(制動(dòng)盤、擋泥板、驅(qū)動(dòng)軸、轉(zhuǎn)向節(jié)或車輪支架等)以最大程度的還原輪轂軸承的整車安裝條件，這種條件的引入使得泥漿應(yīng)用噴射中不是直接侵入密封唇口接觸區(qū)域，而是通過其他周邊零件導(dǎo)流進(jìn)入密封唇口的接觸區(qū)，降低了密封失效概率。而美系(通用、福特)和其他日系車企(日產(chǎn)、豐田等)仍采用替代工裝執(zhí)行密封試驗(yàn)。2種工裝條件的對(duì)比如圖7所示。

顯然，密封試驗(yàn)除了與以上試驗(yàn)條件有關(guān)外，還與試驗(yàn)時(shí)長密切相關(guān)，典型主機(jī)客戶的密封試驗(yàn)條件及其評(píng)價(jià)見表2，其中星號(hào)越多表示試驗(yàn)越苛刻。由于密封試驗(yàn)的影響因素較多，為保證密封試驗(yàn)的準(zhǔn)確性及可靠性，試驗(yàn)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注流量、泥漿濃度和噴管位置的均勻性，在密封試驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)中應(yīng)充分考慮這3點(diǎn)。

圖7 2種工裝條件下的密封試驗(yàn)

表2 輪轂軸承密封試驗(yàn)條件對(duì)比

2.4 高速泄漏試驗(yàn)方法

輪轂軸承高速泄漏試驗(yàn)的目的是同時(shí)評(píng)判輪轂軸承潤滑脂的抗泄漏性與密封性。輪轂軸承的道路行駛工況國內(nèi)限速為120 km/h，一般車輪運(yùn)行最高轉(zhuǎn)速不大于1 500 r/min，但在國外路況不限速的條件下，車速可以達(dá)到200 km/h。目前，所有主機(jī)廠基本達(dá)成共識(shí)，統(tǒng)一按照2 000 r/min的轉(zhuǎn)速執(zhí)行高速泄漏試驗(yàn)，全程不對(duì)試驗(yàn)軸承冷卻，連續(xù)運(yùn)行24 h后停止試驗(yàn)，評(píng)價(jià)潤滑脂的泄漏量，泄漏量要求控制在軸承注脂量的5%以內(nèi)。當(dāng)前國內(nèi)、外輪轂軸承供應(yīng)商的產(chǎn)品水平均能夠順利通過該項(xiàng)試驗(yàn)。

2.5 摩擦力矩試驗(yàn)方法

輪轂軸承摩擦力矩試驗(yàn)的目的是評(píng)判輪轂軸承的動(dòng)態(tài)摩擦水平。輪轂軸承屬于組件，在其內(nèi)部存在3類摩擦：1)滾動(dòng)體、滾道、潤滑脂三者之間的滾動(dòng)摩擦；2)滾動(dòng)體、保持架、潤滑脂三者之間的滑動(dòng)摩擦；3)密封、摩擦副表面、潤滑脂三者之間的滑動(dòng)摩擦[15]。

目前，輪轂軸承摩擦力矩測量分為2類：1)對(duì)輪轂軸承加載測量，以大眾、通用、福特、日產(chǎn)、馬自達(dá)為代表；2)對(duì)輪轂軸承不加載測量，以寶馬、奔馳、本田為代表。加載與不加載對(duì)軸承內(nèi)部鋼球上的載荷分布以及密封唇口的接觸壓力產(chǎn)生的影響不一樣，測量結(jié)果也存在差異。

加載測量輪轂軸承摩擦力矩是一大技術(shù)難點(diǎn)，洛陽軸承研究所有限公司在2005年開發(fā)了機(jī)械支承軸承實(shí)現(xiàn)加載狀態(tài)下摩擦力矩的測量，由于機(jī)械支承軸承引入的額外摩擦，降低了摩擦力矩測量精度。2014年，國內(nèi)以萬向精工為代表開發(fā)了氣浮加載模塊，氣體摩擦因數(shù)降低到了0.000 01，基本消除了外部摩擦的影響，提升了摩擦力矩的測量精度和穩(wěn)定性，其加載模塊的原理如圖8所示。大眾與奧迪在2018年聯(lián)合出臺(tái)了PV8607摩擦力矩測試規(guī)范[16]，提出了對(duì)NEDC譜與WLTC譜的運(yùn)行摩擦能耗和平均摩擦力矩測量要求。為執(zhí)行該規(guī)范，德國布倫瑞克大學(xué)與Sincotec公司均開發(fā)出了以液浮軸承為支承，引入環(huán)境箱模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)加載、不同環(huán)境溫度、正反轉(zhuǎn)這3種條件下摩擦力矩的測量。

圖8 摩擦力矩氣動(dòng)加載模塊原理圖

隨著新能源汽車的逐漸普及，各大主機(jī)廠均在評(píng)估汽車零部件的能耗，當(dāng)前所有主機(jī)廠通過摩擦力矩對(duì)輪轂軸承能耗的評(píng)估均為短期評(píng)估，而非產(chǎn)品的全生命周期評(píng)估，無法替代軸承全生命周期內(nèi)的能耗。全生命周期軸承能耗的影響因素多且非線性，包括滾道磨損、潤滑惡化以及密封磨損與老化。采用扭矩傳感器對(duì)一套第三代輪轂軸承在臺(tái)架壽命試驗(yàn)中的全程摩擦力矩進(jìn)行跟蹤測量，結(jié)果如圖9所示，顯然采用當(dāng)前的短期摩擦能耗測量難以避免以偏概全的問題。

圖9 第三代輪轂軸承壽命試驗(yàn)中的摩擦力矩跟蹤測量

2.6 沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)方法

輪轂軸承沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)的目的是評(píng)判輪轂軸承結(jié)構(gòu)件的抗沖擊強(qiáng)度。輪轂軸承沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)方法基本完全沿用了鋁合金輪轂的沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)SAE J175，對(duì)應(yīng)的國標(biāo)為GB/T 15704—2005[17-18]。雖然該標(biāo)準(zhǔn)是為輪轂制定的，但經(jīng)過不斷地摸索驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)其對(duì)輪轂軸承評(píng)估的意義不亞于輪轂。應(yīng)用研究發(fā)現(xiàn)，凡是按照該標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行試驗(yàn)，若產(chǎn)品出現(xiàn)裂紋而不進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，直接進(jìn)入量產(chǎn)，在市場應(yīng)用中存在斷軸召回隱患。

經(jīng)過對(duì)大量國內(nèi)外輪轂軸承強(qiáng)度試驗(yàn)規(guī)范的系統(tǒng)分析，大部分車企均在執(zhí)行SAE J175或GB/T 15704的沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，但也有部分車企并沒有認(rèn)識(shí)到這個(gè)試驗(yàn)的重要性，而是通過靜態(tài)壓力試驗(yàn)評(píng)估輪轂軸承的靜強(qiáng)度。實(shí)際的車輪上并不存在靜態(tài)緩慢加載的工況條件，車輪在路面上的全程工作狀態(tài)均為動(dòng)態(tài)承載作用，靜壓試驗(yàn)并不能替代沖擊試驗(yàn)。相反，由于駕駛員操作不當(dāng)導(dǎo)致車輪與路面障礙物發(fā)生正向或側(cè)向沖擊的現(xiàn)象倒是屢見不鮮。部分車企僅進(jìn)行靜壓試驗(yàn)評(píng)估而不進(jìn)行沖擊試驗(yàn)論證就上市車輛，導(dǎo)致斷軸事故層出不窮，最終召回車輛整改。因此，沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)是輪轂軸承開發(fā)過程必做的一項(xiàng)試驗(yàn)。

2.7 路肩沖擊試驗(yàn)方法

輪轂軸承路肩沖擊試驗(yàn)的目的是評(píng)估輪轂軸承在路肩撞擊載荷作用下的滾道抗塑性變形能力。路肩沖擊試驗(yàn)方法起源于質(zhì)量工程師統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)輪轂軸承售后失效中滾道等間距布氏壓痕失效模式的比例非常高，從而初步確定了該失效工況。最早對(duì)路肩沖擊試驗(yàn)方法進(jìn)行研究的是美國通用汽車實(shí)驗(yàn)室，其系統(tǒng)研究了輪胎扁平率、氣壓、車輪直徑等因素對(duì)沖擊壓痕的貢獻(xiàn)度[19]，在實(shí)驗(yàn)室通過加速器對(duì)車輪撞擊復(fù)現(xiàn)了路況沖擊特征，形成了自己的企業(yè)試驗(yàn)規(guī)范[20]并已應(yīng)用于輪轂軸承產(chǎn)品的開發(fā)。

近年來，萬向精工聯(lián)合大眾、通用開展了路肩沖擊試驗(yàn)方法的多角度深入研究，研究內(nèi)容包括：1)通過0.9g～1.5g外部側(cè)向載荷對(duì)滾道壓痕形態(tài)的試驗(yàn)獲得沖擊工況接觸橢圓與滾道擋邊的比例關(guān)系；2)通過應(yīng)變式傳感器對(duì)實(shí)車路肩沖擊載荷進(jìn)行標(biāo)定測試，獲得不同速度下路肩沖擊的實(shí)際載荷，為擬定試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)提供重要支撐；3)不同沖擊強(qiáng)度載荷與接觸應(yīng)力的函數(shù)關(guān)系；4)輪轂軸承沖擊強(qiáng)度對(duì)行車噪聲、輪端剛度、輪轂軸承壽命的影響規(guī)律；5)壓痕深度的量化測量與評(píng)估方法[21]。最終，萬向精工形成了自己的企業(yè)技術(shù)規(guī)范并已應(yīng)用于抗路肩沖擊型產(chǎn)品的研發(fā)，該技術(shù)規(guī)范中路肩沖擊的某個(gè)沖擊載荷模擬曲線如圖10所示，以2 kN/s的加載速率作用于車輪半徑處，達(dá)到峰值載荷并保壓1 s后瞬間釋放。

圖10 路肩沖擊試驗(yàn)方法載荷動(dòng)作圖

2.8 力矩剛性試驗(yàn)方法

輪轂軸承力矩剛性試驗(yàn)的目的是評(píng)估輪轂軸承在承受車輪彎矩條件下的角剛度。力矩剛性試驗(yàn)方法相對(duì)較簡單[22-23]，在輪轂軸承車輪半徑處以緩慢速率施加軸向載荷，同步在輪轂軸承的凸緣與外圈零件上分別設(shè)置位移傳感器以獲取其相對(duì)角度變化，最終獲得力矩剛性。

力矩剛性試驗(yàn)執(zhí)行過程中需要重點(diǎn)關(guān)注2個(gè)試驗(yàn)細(xì)節(jié)：1)安裝方位對(duì)力矩剛性的影響，軸向加載方向與輪轂軸承外圈安裝方位之間的相對(duì)位置關(guān)系(圖11)對(duì)力矩剛性試驗(yàn)結(jié)果存在很大的影響，該安裝位置差異對(duì)剛性的影響幅度達(dá)到了20%，這是車輪安裝方位設(shè)計(jì)需要考慮的因素； 2)輪轂軸承內(nèi)部類似于背靠背雙列角接觸球軸承的結(jié)構(gòu)形式，鋼球分布與軸向加載方向相對(duì)位置關(guān)系是隨機(jī)的，該隨機(jī)性帶來的力矩剛性測量差異約為5%。

圖11 剛性試驗(yàn)中凸緣外圈的3種布置方位

目前，大多數(shù)車企均在追求高剛度的輪端以提高乘用車的駕駛操控性，一些車企對(duì)輪轂軸承單元的力矩剛性設(shè)計(jì)要求只給出了下限，而馬自達(dá)輪轂軸承設(shè)計(jì)規(guī)范與圖紙則明確規(guī)定了力矩剛性設(shè)計(jì)要求的上、下限。筆者認(rèn)為一個(gè)更科學(xué)合理的設(shè)計(jì)應(yīng)參考馬自達(dá)的設(shè)計(jì)思路，在保證乘用車駕駛操控性的同時(shí)，應(yīng)避免過高剛度而犧牲了乘坐舒適性。

2.9 微動(dòng)磨損試驗(yàn)方法

輪轂軸承微動(dòng)磨損試驗(yàn)的目的是評(píng)估輪轂軸承滾道抗微動(dòng)磨損的能力。微動(dòng)磨損試驗(yàn)方法同樣起源于質(zhì)量工程師的統(tǒng)計(jì)分析，其發(fā)現(xiàn)輪轂軸承售后失效中滾道等間距偽布氏壓痕失效模式的比例非常高，從而初步確定了該失效工況。輪轂軸承隨整車一起從總裝車間下線前往各大城市4S店的運(yùn)輸路途中(圖12)，因路面的低頻顛簸而引起軸承滾道發(fā)生微動(dòng)磨損，導(dǎo)致售出車輛因磨損缺陷在道路行駛中產(chǎn)生異響。

圖12 乘用車的運(yùn)輸過程

微動(dòng)磨損而引起的輪轂軸承滾道磨損形態(tài)及圓度儀檢測結(jié)果如圖13所示，磨損表現(xiàn)出2個(gè)特征：等間距磨斑；磨斑呈現(xiàn)棕黃色高溫跡象。

對(duì)微動(dòng)磨損試驗(yàn)方法的研究最早出現(xiàn)在日系車企，并在2008年前后形成了各自的微動(dòng)磨損試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，在常溫與低溫環(huán)境下，對(duì)輪轂軸承施加4 Hz以內(nèi)低頻等相位的徑向載荷與軸向載荷，然后拆解樣品并評(píng)判其滾道的磨損深度。日本鷺宮制作所率先研制了帶環(huán)境箱的兩軸微動(dòng)磨損試驗(yàn)臺(tái)。2013年，通用也開發(fā)了自己的試驗(yàn)方法，同樣對(duì)輪轂軸承施加4 Hz以內(nèi)的低頻徑向載荷與軸向載荷，但采用了異步相位載荷，疊加彎矩載荷比日系車企更加苛刻。2017年，德國一些車企與德國布倫瑞克大學(xué)合作研究微動(dòng)磨損發(fā)生機(jī)理，研制了三軸微動(dòng)磨損試驗(yàn)系統(tǒng)并引入了環(huán)境箱以滿足低溫條件下的試驗(yàn)。相比日系與美系車企，其增加了一個(gè)擺角工況(擺角頻率一般在1 Hz以內(nèi))，以模擬運(yùn)輸過程中的切向擺動(dòng)。

2.10 其他功能試驗(yàn)方法

輪轂軸承功能性試驗(yàn)相對(duì)較簡單，一般為靜態(tài)性試驗(yàn)，主要包括：1)凸緣螺栓牢固性試驗(yàn)[6]；2)磁性圈磨損試驗(yàn)；3)動(dòng)平衡試驗(yàn)；4)靜態(tài)氣密性試驗(yàn)；5)環(huán)境腐蝕試驗(yàn)。這些試驗(yàn)主要集中在國內(nèi)車企、美系車企及日系車企，車企執(zhí)行該試驗(yàn)的目的是對(duì)性能試驗(yàn)進(jìn)行補(bǔ)充，但其實(shí)大部分功能試驗(yàn)均可以在性能試驗(yàn)中得到復(fù)現(xiàn)，例如：螺栓牢固性試驗(yàn)在耐久性試驗(yàn)中已被綜合評(píng)價(jià)，靜態(tài)氣密性試驗(yàn)和環(huán)境腐蝕試驗(yàn)在密封試驗(yàn)中被評(píng)價(jià)。重復(fù)驗(yàn)證保證了產(chǎn)品的可靠性，但增加了產(chǎn)品開發(fā)周期與開發(fā)成本。

3 性能試驗(yàn)方法研究展望

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前全球輪轂軸承性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)達(dá)上百種，且不同客戶間的差異很大。各大知名主機(jī)廠與輪轂軸承制造商的輪轂軸承性能試驗(yàn)方法各有所長，但對(duì)于一個(gè)輪轂軸承制造商而言，同時(shí)開發(fā)多個(gè)主機(jī)客戶的項(xiàng)目就必須配備不同的試驗(yàn)系統(tǒng)，難以將多個(gè)客戶的性能試驗(yàn)方法融合到一個(gè)試驗(yàn)臺(tái)上。顯然，這不利于行業(yè)進(jìn)步，建議由國家或汽車行業(yè)牽頭，集各主機(jī)廠的長處，制定科學(xué)合理的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，打破不同車企的隔閡，實(shí)現(xiàn)在同一試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)下的設(shè)計(jì)對(duì)標(biāo)與評(píng)判[24]，以降低輪轂軸承制造商的產(chǎn)品開發(fā)成本，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提升市場競爭力。