轎車輪轂軸承國產(chǎn)化開發(fā)

周 岳

(常州機電職業(yè)技術(shù)學院 機械工程系，江蘇 常州 213164)

為滿足轎車零部件輕量化和改善性能的要求，國外轎車輪轂軸承經(jīng)歷了第1代、第2代，現(xiàn)已發(fā)展到第3代、第4代[1]。第3代轎車輪轂軸承以其在功能性、緊湊性、可靠性、維護性方面明顯的優(yōu)勢已經(jīng)被廣泛應(yīng)用[2]。而我國在轎車輪轂軸承開發(fā)研制方面起步較晚，目前轎車普遍使用的是第1代、第2代輪轂軸承，第3代后輪轂軸承雖有少數(shù)國內(nèi)企業(yè)已批量生產(chǎn)，但尚未大批量在轎車上使用?，F(xiàn)以第2代輪轂球軸承為例來討論國產(chǎn)化開發(fā)及降本措施。

1 開發(fā)過程

一般來講，轎車輪轂軸承的開發(fā)分為3個階段。第1階段采用進口總成(Completely Knocked Down,CKD)，滿足轎車新項目投產(chǎn)的需要。這主要是因為轎車底盤平臺技術(shù)受制于國外合資企業(yè)及輪轂軸承原供應(yīng)商專利保護。第2階段由原供應(yīng)商在中國的企業(yè)進行進口散件組裝(Semi-Knocked Down,SKD)。第3階段由軸承原供應(yīng)商在中國的企業(yè)進行散件國產(chǎn)化(Localization step 1, LC1)。隨著成本壓力的不斷上升，加上戰(zhàn)略考慮，需要引進市場競爭機制，以減少供貨風險、質(zhì)量風險和價格風險，建立一個高效、穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)的零部件供應(yīng)體系，因此，第4階段為深度國產(chǎn)化(Localization step 2 ,LC2)，即選擇原供以外的國內(nèi)供應(yīng)商做替代開發(fā)(已于近年開展)。

在國產(chǎn)化過程中，特別是第3，4階段需要嚴格遵循“質(zhì)量領(lǐng)先、價格合理、供貨及時、服務(wù)周到”的原則，特別是“質(zhì)量第一”的原則，嚴格進行供應(yīng)商的選擇。圖1顯示了各階段質(zhì)量、成本的相對關(guān)系(以CKD零件為標桿)?？傮w來講，在質(zhì)量要求基本不變的條件下，隨國產(chǎn)化的深入，產(chǎn)品成本大幅下降，但其中的質(zhì)量成本會有所上升。選擇第4階段供應(yīng)商時要特別注意，一方面要選擇具有較強的產(chǎn)品開發(fā)能力，資金和技術(shù)實力都比較雄厚，在國內(nèi)同行業(yè)中具有明顯競爭優(yōu)勢的廠家作為合作對象；另一方面要以戰(zhàn)略伙伴為目標，加以扶持、培養(yǎng)，不斷提升質(zhì)量能力，降低產(chǎn)品質(zhì)量成本，這樣才能真正有效降低成本，產(chǎn)生效益。

圖1 國產(chǎn)化各階段相對成本梯度(以CKD成本為標桿)

上述階段的劃分，主要是考慮到目前國內(nèi)轎車整車平臺技術(shù)開發(fā)能力的不足；因此，基本走的是先引進(CKD)，再逐步國產(chǎn)化的路子。即在質(zhì)量、成本、進度不能同時兼顧的前提下，優(yōu)先考慮質(zhì)量、進度，占領(lǐng)市場，再逐步降低成本，穩(wěn)固市場。但對今后自主開發(fā)轎車來講，就可利用現(xiàn)有成果，直接開展第4階段的工作，并深化下去，開發(fā)兩三家戰(zhàn)略供應(yīng)商，不斷優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、提高質(zhì)量和壽命，降低成本。

2 成本構(gòu)成與降本措施

產(chǎn)品成本由原材料費用、直接工資、制造費用、產(chǎn)品損失費、財務(wù)管理費、企業(yè)管理費、銷售費用和合理利潤8項組成。產(chǎn)品成本按其來源分為國外形成成本和國內(nèi)形成成本。國外形成成本是指進口零部件的費用，包括國外零部件的售價、包裝費、進口關(guān)稅及運費等，是進口國外零部件在入廠前所發(fā)生的各項費用的總和； 國內(nèi)形成成本是指產(chǎn)品成本中扣除國外形成成本的余下部分， 即國產(chǎn)外購件的費用、生產(chǎn)制造費用、直接工資、管理費以及銷售費等的總和[3]。

針對不同的開發(fā)階段，降低成本的切入點和措施也不同。第1，2 階段降低成本主要通過商務(wù)談判實現(xiàn)，且受匯率、關(guān)稅變化影響，對成本下降貢獻不大。較為可行的措施是減少商務(wù)中間環(huán)節(jié)，將傭金、代理費或營業(yè)稅等費用降低。

第3階段，由于進口軸承生產(chǎn)商(Original Equipment Manufacturer, OEM)對產(chǎn)品技術(shù)的保護，只能通過OEM在中國的工廠進行國產(chǎn)化，缺少競爭，成本下降還不是很多。這個階段主要通過國內(nèi)較低的工資、較低的管理費用實現(xiàn)成本的降低，OEM的利潤并未下降。

第4階段，避開了專利使用費用，同時出廠成本、利潤大幅下降，主機廠享受到所有環(huán)節(jié)的成本下降及其他戰(zhàn)略好處。該階段減少了供貨風險、質(zhì)量風險和價格風險，建立了一個高效、穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)的零部件供應(yīng)體系，并通過競爭，促進供應(yīng)商不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量和服務(wù)質(zhì)量，不斷降低價格[4]。

3 某車型后輪轂軸承的匹配及國產(chǎn)化開發(fā)

該第2代輪轂球軸承由內(nèi)圈、外圈、鋼球、保持架、密封圈、輪轂螺栓、ABS齒圈構(gòu)成，如圖2所示。該產(chǎn)品的開發(fā)是隨整車新項目開始的。因此，在上述開發(fā)思想的指導下，為保證整車項目進度，先進行CKD原配軸承的中國匹配開發(fā)，再進行LC1和LC2國產(chǎn)化開發(fā)。

1—鋼球；2—保持架；3—輪轂螺栓；4—輪轂一體外圈；5—內(nèi)圈；6—密封圈；7—ABS齒圈圖2 第2代輪轂球軸承結(jié)構(gòu)

3.1 CKD原配匹配開發(fā)

一般來講，CKD零件在國外車型上已批量使用，在國內(nèi)同平臺車型上使用問題不大，但考慮到使用環(huán)境的變化，需要做適應(yīng)性驗證試驗，主要進行10萬公里強化耐久跑車試驗(相當于實際道路30萬公里)和全國道路試驗。試驗結(jié)果顯示，左、右輪轂軸承分別有4套提前失效，未達到10萬公里試驗要求，見圖3。

圖3 CKD軸承潤滑脂量改進前道路耐久試驗結(jié)果

根據(jù)故障記錄及故障件拆檢結(jié)果可知，故障的共同現(xiàn)象為潤滑脂被燒成碳粒狀，保持架熔化，密封圈硬化。該失效為溫度過熱所致，供應(yīng)商反映在國外市場上無類似故障發(fā)生。進一步分析相關(guān)零件，對比未經(jīng)試驗的CKD零件及對照原供提供的DFEAM(設(shè)計失效影響分析模型)，發(fā)現(xiàn)潤滑脂分布很不均勻，外圈溝道上幾乎沒有潤滑脂，但潤滑脂質(zhì)量符合圖紙要求，認為這是沒有充分潤滑導致的故障，要求供應(yīng)商增加潤滑脂量并加強預充脂均勻性控制。對改進后的樣件路試，10萬公里結(jié)束未失效，認為合格。

3.2 LC1國產(chǎn)化開發(fā)

該階段國產(chǎn)化由原供的國內(nèi)合資廠進行，設(shè)計圖紙不變，原材料采購渠道不變，僅進行內(nèi)、外圈及保持架的國產(chǎn)化，鋼球、密封圈、輪轂螺栓、ABS齒圈保持不變，采用OEM CKD件。供應(yīng)商完成開發(fā)、自檢試驗合格后送樣，主機廠按照嚴格的程序進行認可試驗。原供在產(chǎn)品開發(fā)、質(zhì)量控制方面具有豐富的經(jīng)驗，國產(chǎn)化開發(fā)駕輕就熟，相對于完成異地生產(chǎn)，沒有太多的波折，這里不再贅述。

3.3 LC2國產(chǎn)化開發(fā)

該階段由第2家國內(nèi)供應(yīng)商進行除油脂外零件的國產(chǎn)化。由于原圖紙受知識產(chǎn)權(quán)保護，該供應(yīng)商只能獲得主機廠安裝尺寸、質(zhì)量、壽命要求等邊界條件，結(jié)構(gòu)設(shè)計需全新開發(fā)。

根據(jù)我國轎車軸承失效統(tǒng)計分析結(jié)果[5]， 表1中6種失效形式比較普遍，占故障件樣本的比例較高。

表1 國內(nèi)轎車輪轂球軸承主要失效類型

轎車在運行過程中路況復雜，環(huán)境惡劣，輪胎與地面的作用使車輪既承受徑向力又承受軸向力；當汽車在斜面上轉(zhuǎn)彎時還受到軸向力產(chǎn)生的彎矩作用。影響軸承壽命的因素是多種多樣的，所有安裝、使用、維護和保養(yǎng)以及軸承材料和設(shè)計制造過程都與軸承的壽命有關(guān)。主要影響因素有：溝道幾何尺寸匹配設(shè)計、軸承鋼原材料的潔凈度和組織均勻性、熱處理質(zhì)量、表面層質(zhì)量、表面殘余應(yīng)力、安裝和使用(特別是軸承游隙的調(diào)整)、密封與潤滑[6]。

針對上述失效模式及影響因素，根據(jù)整車載荷及壽命要求和軸承結(jié)構(gòu)形式，計算出額定動載荷，選擇符合要求的系列軸承。外圈材料采用優(yōu)質(zhì)碳素鋼,其鍛造性能優(yōu)良，有很好的抗旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞特性和耐沖擊性能，價格低于高碳鉻鋼；內(nèi)圈、鋼球仍采用高碳鉻鋼(表2)。潤滑采用抗氧化，耐高、低溫(-30～150 ℃)，耐磨且摩擦系數(shù)低的鋰基潤滑脂；密封采用耐污水、力矩特性好、耐腐蝕的腈橡膠(NBR)加甩油環(huán)混合式密封圈。

表2 CKD/LC1/LC2軸承用材料

從內(nèi)、外圈材料看，性能基本無差異，因此，LC2開發(fā)能否成功，能否達到LC1/CKD的性能，關(guān)鍵看工藝過程的質(zhì)量控制，其對保證產(chǎn)品的質(zhì)量及壽命舉足輕重。供應(yīng)商及主機廠共同確定了產(chǎn)品工藝控制關(guān)鍵指標(表3)，建立了PFEAM (工藝過程失效影響分析模式)，對從原材料入廠開始，經(jīng)鍛造、車削、熱處理、磨削、清洗、裝配、注脂、包裝、運輸?shù)?0多道工序及檢驗環(huán)節(jié)進行了潛在失效模式及失效后果分析，并按影響重要程度(分關(guān)鍵、重要、安全及基本4個等級)排序，對關(guān)鍵、重要工序和指標再制定詳細的工藝流程卡，將操作、檢驗及檢測具體化，并嚴格控制執(zhí)行，以期最終獲得理想的開發(fā)結(jié)果和產(chǎn)品質(zhì)量。

表3 LC2軸承關(guān)鍵指標

4 認可試驗

4.1 剛度試驗

考核彎矩作用下軸承的剛性時，施加載荷為200～6 700 N，力臂為300 mm。 200 N時，要求其剛度大于5.7 kN·m/(°)；6 700 N時，要求其剛度大于6.0 kN·m/(°)。從試驗結(jié)果(圖4)可知，6 700 N載荷下LC2,LC1和CKD樣件的剛度都不能滿足要求，但LC2 ，LC1優(yōu)于CKD樣件，認為剛度合格。

圖4 剛度試驗值

4.2 沖擊載荷試驗

施加29.0 kN的沖擊載荷，加載力臂為300 mm，相當于施加2.0g(g為重力加速度，下同)加速度或12 kN的道路沖擊載荷,要求軸承不產(chǎn)生裂紋。試驗結(jié)果為：軸承無裂紋，輪轂軸及固定螺栓發(fā)生彎曲變形，產(chǎn)品合格。

4.3 0.8g穩(wěn)定沖擊載荷疲勞試驗

該試驗轉(zhuǎn)速為400 r/min，徑向載荷為9.32 kN, 軸向載荷為7.46 kN, 施加0.8g恒穩(wěn)定沖擊載荷，強制通風冷卻，直至軸承出現(xiàn)故障，要求軸承的循環(huán)次數(shù)大于105次。4個試樣出現(xiàn)內(nèi)圈剝落的循環(huán)次數(shù)分別達到了3.68×105，4.78×105，5.14×105，3.94×105次，結(jié)果遠超標準要求，產(chǎn)品合格。

4.4 歐洲循環(huán)試驗

由45種工況組成，考核軸承和輪轂的疲勞壽命。該試驗為歐洲循環(huán)壽命試驗的一種，取8套軸承進行試驗，取壽命排在第5位的那套軸承的壽命作為該組軸承的名義疲勞壽命L50，要求L50>7.75×106次。

試驗結(jié)果表明， 3種狀態(tài)下內(nèi)側(cè)軸承的內(nèi)圈和鋼球都出現(xiàn)了剝蝕，潤滑脂顏色變深但量并未減少。從圖5和表4可知，3種狀態(tài)軸承都未達到循環(huán)次數(shù)要求，但結(jié)果接近，說明LC2狀態(tài)至少達到了CKD/LC1的壽命指標，可以接受。

表4 L50疲勞壽命

圖5 循環(huán)壽命試驗值

4.5 實車道路耐久試驗

對兩輛汽車進行8 000公里強化道路試驗，對4輛汽車進行10萬公里耐久道路試驗(當量相當于真實用戶30萬公里里程)，試驗結(jié)果無故障，表明新開發(fā)的軸承壽命可達到30萬公里。

5 結(jié)束語

(1)在從緊經(jīng)濟環(huán)境及原材料漲價，轎車市場競爭日益激烈的背景下，輪轂軸承深度國產(chǎn)化是降本增效，培育優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)定供應(yīng)商體系的重要舉措。

(2)國外批量認可的CKD軸承，不一定適應(yīng)國內(nèi)使用環(huán)境，需要匹配驗證，有時需要作出局部調(diào)整。

(3)對國內(nèi)轎車輪轂軸承失效模式進行收集、統(tǒng)計分析，對于提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量，延長產(chǎn)品壽命有很大的幫助。

(4)過程失效及影響分析(PFEAM)工作的開展，對于提升國內(nèi)非原配供應(yīng)商的質(zhì)量能力、管理水平起重要作用，關(guān)系深度國產(chǎn)化的成敗。

(5)國外輪轂軸承開發(fā)試驗的程序相對比較苛刻，可以說是高標準、嚴要求，有時國外原供應(yīng)商的產(chǎn)品也未必能完全滿足試驗要求，但其對供應(yīng)商能起到促進作用，迫使供應(yīng)商不斷改進，提高質(zhì)量，不敢絲毫懈怠。在國內(nèi)應(yīng)用時，要根據(jù)國內(nèi)供應(yīng)商能力、成本因素等實際情況，適當調(diào)整要求，但不能低于CKD零件的質(zhì)量。