輪轂軸承基體硬度與異常沖擊負(fù)游隙失效關(guān)系

趙小威　胡冬冬　于輝

摘 要：本文重點(diǎn)對(duì)輪轂軸承基體硬度與抗沖擊性能之間的關(guān)系進(jìn)行研究，通過(guò)沖擊與耐久試驗(yàn)驗(yàn)證，調(diào)整內(nèi)法蘭零部件基體硬度能提高輪轂軸承抗沖擊性能。

關(guān)鍵詞：輪轂軸承；游隙；屈服強(qiáng)度；異常沖擊

輪轂軸承是汽車行駛系統(tǒng)中的重要零部件，目前家用汽車輪轂軸承絕大部分采用雙列角接觸軸承。第三代輪轂軸承使用擺碾技術(shù)對(duì)軸承總成游隙進(jìn)行預(yù)緊使其形成負(fù)游隙，相比于一、二代輪轂軸承其優(yōu)點(diǎn)在于使用過(guò)程中負(fù)游隙不受鎖緊螺母影響，運(yùn)轉(zhuǎn)可靠且穩(wěn)定壽命周期長(zhǎng)。負(fù)游隙失效已成為三代輪轂軸承重要的失效模式，本文主要探討軸承基體硬度、軸承受沖擊與負(fù)游隙失效關(guān)系。

1 負(fù)游隙、游隙定義

1.1 游隙概念 軸承內(nèi)部滾動(dòng)體和滾道之間一般都有正的間隙稱為游隙，汽車輪轂軸承使用過(guò)程中，這個(gè)游隙需要進(jìn)行消除，否則會(huì)嚴(yán)重影響傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)精度，并引起軸承異響且影響軸承使用壽命，所以輪轂軸承實(shí)際使用過(guò)程中會(huì)保證其處于負(fù)游隙狀態(tài)。實(shí)際生產(chǎn)中，通過(guò)滾動(dòng)體與滾道之間的彈性變形消除滾動(dòng)體與滾道之間的接觸間隙。由于這個(gè)彈性變形相對(duì)于原來(lái)的正游隙來(lái)說(shuō)是把滾動(dòng)體與滾道之間的間隙從正值變成了負(fù)值，故也常稱為負(fù)游隙（三代輪轂軸承游隙應(yīng)介于-0.01—-0.05mm）。

1.2 游隙檢測(cè)方式 對(duì)于負(fù)游隙的檢測(cè)，一般方法為在外法蘭上逐漸施加一個(gè)軸向壓力（如圖1所示），在該力的作用下，上側(cè)鋼球原始受壓狀態(tài)下的彈性變形逐漸減小，在施加壓力的同時(shí)，采用撥叉在一定扭矩（10N·m）作用下去撥動(dòng)鋼球，如果剛好能撥動(dòng)鋼球，說(shuō)明本側(cè)鋼球處于預(yù)緊與松弛的臨界狀態(tài)，此時(shí)記錄下的軸向壓力為上側(cè)鋼球的卸載力，即軸承卸載力。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證軸承卸載力與游隙存在線性關(guān)系，即極限卸載力對(duì)應(yīng)相應(yīng)的負(fù)游隙上下限。

2 失效模式及分析

某車型市場(chǎng)陸續(xù)反饋失效故障件，此故障發(fā)生里程分布在5000-50000公里，呈現(xiàn)隨機(jī)分布且服務(wù)站分布全國(guó)無(wú)特定區(qū)域。對(duì)故障件檢測(cè)分析發(fā)現(xiàn)其轉(zhuǎn)動(dòng)力矩均大幅降低（標(biāo)準(zhǔn)值為0.4-1.5N·m，故障件轉(zhuǎn)動(dòng)力矩均<0.1N·m），使用游隙檢測(cè)設(shè)備對(duì)該批故障件負(fù)游隙進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果顯示軸承卸載力均小于最小卸載力設(shè)定值，說(shuō)明該批故障件負(fù)游隙已全部失效。對(duì)故障件拆解發(fā)現(xiàn)典型問(wèn)題如下：①外法蘭存在對(duì)稱性點(diǎn)狀壓痕，且滾道檢測(cè)呈現(xiàn)橢圓狀；②內(nèi)法蘭主軸彎曲變形（主軸彎曲程度均值平均為0.28mm，標(biāo)準(zhǔn)要求≤0.05mm）。

根據(jù)以上分析軸承受到異常沖擊，內(nèi)法蘭主軸變形導(dǎo)致小圈沿溝道αR（滾動(dòng)體接觸角）受力方向移動(dòng)，導(dǎo)致軸承軸向負(fù)游隙失效。

軸承受異常沖擊內(nèi)法蘭主軸發(fā)生彎曲變形是軸承負(fù)游隙失效導(dǎo)致軸承異響的根本原因，異常沖擊發(fā)生于駕駛習(xí)慣不當(dāng)、路況惡劣等不可控因素下，本課題主要研究從軸承方面提升抗沖擊性能。由于內(nèi)法蘭材質(zhì)的屈服強(qiáng)度直接影響其抵抗沖擊變形能力，行業(yè)中內(nèi)法蘭材質(zhì)通常采用55#鋼，而通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得熱處理硬度與材質(zhì)的屈服強(qiáng)度呈現(xiàn)線性關(guān)系（如表1所示），故可以通過(guò)提高內(nèi)法蘭材質(zhì)基體硬度來(lái)提高軸承總成產(chǎn)品抗沖擊性能。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

本課題通過(guò)沖擊+耐久試驗(yàn)來(lái)模擬整車受異常沖擊實(shí)際工況，沖擊試驗(yàn)?zāi)M整車受異常沖擊過(guò)程，耐久試驗(yàn)?zāi)M整車受沖擊后運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境。最終通過(guò)軸承卸載力變化值大小來(lái)驗(yàn)證內(nèi)法蘭硬度提升的改善效果。

異常沖擊試驗(yàn)（如圖2所示），將三代輪轂軸承固定在臺(tái)架試驗(yàn)機(jī)上，試驗(yàn)沖擊端距離輪轂軸承固定端距離為輪胎半徑用于模擬實(shí)車沖擊狀況。

重載耐久試驗(yàn)臺(tái)架如圖3所示，該試驗(yàn)通過(guò)對(duì)軸承施加徑向載荷和軸向載荷，模擬整車在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中承受最苛刻載荷情況。

3.2 試驗(yàn)效果 調(diào)整熱處理工藝，分別制作硬度范圍為HB180-220與HB200-250內(nèi)法蘭樣件2批，將上述批次內(nèi)法蘭分別組裝軸承總成產(chǎn)品各3套，產(chǎn)品均通過(guò)沖擊與重載耐久試驗(yàn)，試驗(yàn)前后分別檢測(cè)其卸載力數(shù)據(jù)，試驗(yàn)后通過(guò)卸載力數(shù)據(jù)變化值來(lái)間接反饋軸承總成產(chǎn)品負(fù)游隙失效程度，試驗(yàn)結(jié)果顯示硬度調(diào)整后產(chǎn)品抗沖擊性能明顯強(qiáng)于調(diào)整前產(chǎn)品，改善前卸載力變化量為11512N，改善后卸載力變化量為2450N。

4 結(jié)論

汽車三代輪轂軸承內(nèi)法蘭基體硬度高低是影響其抗沖擊性能的關(guān)鍵因素，本文通過(guò)故障失效表現(xiàn)形式及整車模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證內(nèi)法蘭基體硬度提升能提高三代輪轂軸承抗沖擊性能，避免總成產(chǎn)品負(fù)游隙失效，提高了軸承使用壽命，對(duì)同類產(chǎn)品類似失效模式改進(jìn)具有實(shí)際的借鑒意義。

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