商用車橋盤式輪端研究及性能分析

林瑋靜，孫 超，孔 卓，張 林

（中國重型汽車集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

引言

隨著盤式制動器在商用車領(lǐng)域使用率的不斷提升，盤式輪端的型式也不斷增多，商用車由于載荷大和車速提高，較一般汽車輪邊強(qiáng)度需要相應(yīng)提高，結(jié)果導(dǎo)致其輪邊結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜［1］。

盤式輪端的差異：（1）盤式制動器安裝位置。該差異主要影響軸承載荷。（2）制動盤裝配方式。該差異主要影響制動盤更換、輪轂軸承熱載荷。（3）輪轂及軸承的配合方式。該差異主要影響承載能力和輪邊維護(hù)。

1 盤式輪端的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 普通盤式輪邊結(jié)構(gòu)

盤式輪端的一般結(jié)構(gòu)是將制動盤裝配到輪轂上，在將內(nèi)、外軸承及輪轂總成（包含制動盤）裝配到轉(zhuǎn)向節(jié)上，裝配上止推墊圈后打緊鎖緊螺母，安裝上輪端端蓋，最后將盤式制動器總成安裝到轉(zhuǎn)向節(jié)上。結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 普通盤式輪端結(jié)構(gòu)

盤式輪端該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：（1）輪轂強(qiáng)度高，輪端承載能力大；（2）輪轂、軸承有良好的散熱性。缺點(diǎn)：（1）制動盤更換困難，更換制動盤時(shí)需拆卸輪轂總成、軸承，影響輪端的可靠性；（2）制動盤采用翻邊形式連接到輪轂上并且制動盤偏置較大，從而導(dǎo)致車橋重量較大；（3）影響軸承使用壽命，并需定期維護(hù)，使用成本較高。

該類型盤式輪端因承載大、可靠性較高，應(yīng)用范圍十分廣泛，同時(shí)也出現(xiàn)了以該類型盤式輪端為基礎(chǔ)，進(jìn)行局部優(yōu)化的盤式輪端，比較有代表性的四種結(jié)構(gòu)：（1）將軸承由脂潤滑變更為油潤滑的盤式輪端結(jié)構(gòu)，大幅度延長了維護(hù)周期，降低了維護(hù)費(fèi)用，結(jié)構(gòu)見圖2。（2）將內(nèi)、外軸承優(yōu)化為軸承單元，軸承單元壓入輪轂內(nèi)，裝配為輪轂總成，然后將輪轂總成裝配到車橋軸頭上。該輪端結(jié)構(gòu)仍為脂潤滑，但是由于軸承單元采用特有潤滑脂及單獨(dú)密封結(jié)構(gòu)，因此，也可以實(shí)現(xiàn)大幅度延長維護(hù)周期，降低維護(hù)費(fèi)用，結(jié)構(gòu)見圖3。（3）將制動盤安裝到車輪螺栓安裝面上，通過車輪螺栓將制動盤、輪轂和車輪連接起來，該輪端結(jié)構(gòu)將制動盤的制動力直接傳遞到車輪上，降低了輪轂的制動載荷，同時(shí)大幅度增加了制動盤與輪轂之間的間隙，保證了良好的散熱性，結(jié)構(gòu)見圖4。（4）制動盤和輪轂之間采用花鍵連接，裝配成輪轂總成后安裝到輪端上，結(jié)構(gòu)見圖5。該類型輪端的優(yōu)點(diǎn)：①制動盤抗熱變形能力強(qiáng)；②制動盤取消了法蘭部位，輪端總重量小。該類型輪端的缺點(diǎn)：制動盤直接連接到輪轂的軸承安裝部位，軸承工作溫度較普通輪端結(jié)構(gòu)的略高，會降低軸承使用壽命。

圖2 油潤滑的盤式輪端結(jié)構(gòu)

圖3 匹配軸承單元的盤式輪端結(jié)構(gòu)

圖4 制動盤安裝到車輪安裝面的盤式輪端結(jié)構(gòu)

圖5 匹配花鍵制動盤的盤式輪端結(jié)構(gòu)

1.2 緊湊型輪轂軸承單元盤式輪邊結(jié)構(gòu)

緊湊型輪轂軸承單元盤式輪端應(yīng)用于載荷較小的車橋，其主要結(jié)構(gòu)是將制動輪轂軸承單元裝配到輪端（轉(zhuǎn)向節(jié)或軸頭上），然后將制動盤和法蘭裝配到輪轂軸承單元上，用螺栓打緊。結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 緊湊型輪轂軸承單元盤式輪端結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)盤式輪端的優(yōu)點(diǎn)：（1）輪轂軸承單元實(shí)現(xiàn)了免維護(hù)；（2）制動盤更換無需拆卸輪轂軸承單元，最大限度的保證了輪端可靠性和穩(wěn)定性；（3）制動盤與輪轂軸承單元之間的間隙較大，散熱性好；（4）重量輕。缺點(diǎn)：（1）由于法蘭、制動盤和輪轂軸承單元之間采用螺栓聯(lián)系，承載載荷和制動載荷都集中在該連接處，限制了該類型輪端的承載極限；（2）輪轂軸承單元配置成本較高。

1.3 創(chuàng)新型驅(qū)動橋盤式輪邊結(jié)構(gòu)

目前，驅(qū)動橋盤式輪邊基本都采用普通型盤式輪端結(jié)構(gòu)，由于該類型輪端固有的使用缺陷，更換制動盤時(shí)必須拆卸軸承，導(dǎo)致無論如何改進(jìn)都無法實(shí)現(xiàn)真正意義的免維護(hù)，隨著中國商用車車橋研發(fā)能力的提升，國內(nèi)出現(xiàn)了國際上首創(chuàng)的全新型盤式輪端結(jié)構(gòu)［2］，結(jié)構(gòu)見圖7。

圖7 創(chuàng)新型驅(qū)動橋盤式輪邊結(jié)構(gòu)

該類型輪端的主要結(jié)構(gòu)是首先將輪轂軸承單元安裝到橋殼總成的軸頭上，通過鎖緊螺母緊固；然后將半軸、制動盤依次安裝到輪轂軸承單元上，最后通過螺栓緊固。該輪端較“緊湊型輪轂軸承單元盤式輪邊結(jié)構(gòu)”的獨(dú)特之處：（1）驅(qū)動橋輪邊結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)匹配二代軸承單元，且軸承單元的外圈結(jié)構(gòu)特殊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)雙止口承載的功能，同時(shí)要求軸承單元的最大外徑滿足制動盤匹配，以實(shí)現(xiàn)更換制動盤時(shí)不影響軸承單元，保證輪邊結(jié)構(gòu)的可靠性及輪轂軸承的使用壽命。（2）制動盤一體化創(chuàng)新設(shè)計(jì)，集成優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)輪轂與制動盤的一體化集成結(jié)構(gòu)，不僅具有制動盤的承載制動力的功能，同時(shí)還具有輪轂的承載輪邊載荷的功能，裝配工藝簡便，有效降低了該盤式輪端的重量和成本。（3）國際首創(chuàng)的22.5 吋盤式制動器，最大外廓與國際通用制動器相同，但是裝配內(nèi)徑遠(yuǎn)大于普通制動器。

該結(jié)構(gòu)的盤式輪端優(yōu)點(diǎn)：（1）輪轂軸承單元與制動盤雙止口配合，承載能力強(qiáng)；（2）輪轂軸承單元實(shí)現(xiàn)了真正意義的免維護(hù)；（3）制動盤更換無需拆卸輪轂軸承單元，最大限度的保證輪端可靠性和穩(wěn)定性；（4）零部件模塊化集成度高，維護(hù)及維修方便；（5）重量輕。

該結(jié)構(gòu)的盤式輪端缺點(diǎn)：（1）制動盤需采用特殊材質(zhì)，普通灰鐵制動盤無法實(shí)現(xiàn)該功能；（2）輪轂軸承單元配置成本較高。

2 盤式輪端的性能影響因素

2.1 制動器安裝角度

由于盤式制動器只在制動盤局部位置產(chǎn)生制動力，導(dǎo)致制動盤承載的制動力非對稱，從而影響輪轂和軸承的受力情況，盤式輪端的受力情況見圖8［3］。

圖8 盤式輪端受力情況

根據(jù)圖8 所示，盤式輪端承載情況及盤式輪端關(guān)鍵參數(shù)輸入見表1，可計(jì)算出軸承承載力大小，計(jì)算公式見表2。

表1 盤式輪端關(guān)鍵參數(shù)

表2 軸承承載計(jì)算方法

由表2 可知，制動器安裝角度直接影響到盤式輪端內(nèi)外軸承的承載情況，結(jié)合多年應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，盤式制動器安裝角度推薦位置見圖9。

圖9 制動器安裝角度推薦位置

2.2 制動盤安裝方式

制動盤安裝方式對盤式輪端性能的影響：（1）制動盤制動力傳遞路徑。目前盤式輪端制動盤制動力傳遞路線共有兩種：一種是制動盤與車輪安裝面直接相連；另一種是制動盤通過輪轂或法蘭間接傳遞到車輪安裝面上。第一種連接方式直接將制動盤制動力傳遞到了車輪上，因此，輪轂或法蘭支撐面承載會略低，有利于輪轂或法蘭的減重，但是制動盤與鉗體之間的距離較小，比較適合于長端面距的車橋；第二種連接方式為常用連接方式，該方式輪端布置較為簡單，但是重量上無優(yōu)勢。（2）制動盤與輪轂散熱空間。由于制動盤吸收了大部分的制動能量，其溫度較高，制動盤與輪轂間隙較小或者制動盤盤面直接安裝到輪轂上，都會導(dǎo)致輪轂使用溫度較高，影響軸承油脂，易導(dǎo)致軸承的早期失效。（3）制動盤拆卸方式。目前常用的盤式輪端在拆卸制動盤時(shí)都需要拆卸輪轂和軸承，嚴(yán)重影響輪轂和軸承的可靠性；“緊湊型輪轂軸承單元盤式輪邊結(jié)構(gòu)”和“創(chuàng)新型驅(qū)動橋盤式輪邊結(jié)構(gòu)”在拆卸制動盤時(shí)，無需進(jìn)行軸承拆卸，可最大限度的提高車橋可靠性。

3 結(jié)語

介紹了七種盤式輪端，分析了各種盤式輪端的優(yōu)缺點(diǎn)，重點(diǎn)介紹了承載力較小的“緊湊型輪轂軸承單元盤式輪邊結(jié)構(gòu)”和國、內(nèi)外首創(chuàng)的驅(qū)動橋用“創(chuàng)新型驅(qū)動橋盤式輪邊結(jié)構(gòu)”，并探討了影響盤式輪端性能的兩個(gè)關(guān)鍵因素。隨著商用車行業(yè)盤式制動器使用率的不斷提升，盤式輪端的市場份額會不斷增大，同時(shí)隨著車橋性能的不斷技術(shù)提升，免維護(hù)軸承輪端將會更加普及。