輪轂軸承軸力測(cè)試系統(tǒng)的研發(fā)

周旭，李興林，黃德杰

(1.浙江萬向精工有限公司，杭州 311215；2.杭州軸承試驗(yàn)研究中心有限公司，杭州 310022)

游隙是影響軸承疲勞壽命的關(guān)鍵指標(biāo)，游隙過大或過小均會(huì)導(dǎo)致軸承使用壽命的降低。未進(jìn)行裝車時(shí)，輪轂軸承的游隙稱為裝配游隙；將該狀態(tài)的軸承進(jìn)行裝車時(shí)，軸承會(huì)被車輪螺栓以特定的扭矩鎖緊，從而產(chǎn)生軸向鎖緊力，使?jié)L道發(fā)生軸向變形，形成裝車狀態(tài)下的游隙，也稱為工作游隙。為了獲取輪轂軸承的工作游隙，在保證軸承裝配游隙符合設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，需要獲取車輪螺栓在特定扭矩下產(chǎn)生的軸向鎖緊力(簡(jiǎn)稱軸力)。

目前，車輪螺栓緊固件廠家一般以緊固件為主要測(cè)試對(duì)象，采用工裝替代被緊固件進(jìn)行測(cè)試，該方式會(huì)導(dǎo)致螺母貼合端面間的摩擦因數(shù)失真，從而影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。另外，由于車輪螺栓結(jié)構(gòu)的特殊性，對(duì)傳感元件的安裝方式(埋入車輪螺栓內(nèi)或粘貼于螺栓上被加工出的平面上)也有所限制[1-3]。因此，構(gòu)建了一種輪轂軸承軸力測(cè)試系統(tǒng)，為保證輪轂軸承高壽命的工作游隙提供檢驗(yàn)依據(jù)。

1 測(cè)試方法

1.1 輪轂軸承鎖緊特征與測(cè)試要求

隨著汽車軸承高剛性、高可靠性要求的提出，輪轂軸承的發(fā)展越來越趨向于集成化，廣泛應(yīng)用的輪轂軸承的安裝特征如圖1所示。

圖1 輪轂軸承的安裝特征

目前，高可靠性輪轂軸承仍普遍采用螺栓加螺母進(jìn)行鎖緊，有防松和施加滾道預(yù)載荷的作用，螺栓與螺母之間形成的鎖緊力直接影響防松效果和滾道預(yù)載荷的大小。理論上，緊固件軸力的計(jì)算公式為[4]

(1)

(2)

式中：M為鎖緊扭矩；K為扭矩系數(shù)；d為螺紋公稱直徑；d2為螺紋中徑；φ為螺紋升角；ρv為螺紋當(dāng)量摩擦角；fv為螺紋當(dāng)量摩擦因數(shù)；dw與d0的取值如圖2所示。

圖2 參數(shù)dw與d0的取值

從理論分析及輪轂軸承的實(shí)際安裝特征可知，為獲取準(zhǔn)確的鎖緊軸力，輪轂軸承軸力測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)建必須滿足如下要求：

1)采用原裝車輪螺栓和螺母進(jìn)行測(cè)試，保證螺栓與螺母旋合牙型之間摩擦因數(shù)的真實(shí)性，不允許用替代件，該因素會(huì)影響當(dāng)量摩擦角；

2)采用原裝輪轂軸承零件開展測(cè)試，同時(shí)保證螺母貼合面的摩擦因數(shù)和貼合面積的真實(shí)性；

3)測(cè)試過程中，保證傳感元件或傳感器安裝定位的穩(wěn)固性；

4)由于車輪螺栓、螺母和緊固件在不同車型上存在尺寸差異，對(duì)于不同車輪螺栓的測(cè)試需要考慮到通用性。

1.2 測(cè)試方案的確定

為使測(cè)試結(jié)果能夠真實(shí)地反映實(shí)際裝車狀態(tài)下的鎖緊軸力，依據(jù)軸力測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)建要求，提出了4種測(cè)試方案，如圖3所示。

方案1：在車輪芯軸螺栓上加工一個(gè)中心孔，將傳感元件埋入并通過特定膠水與芯軸金屬側(cè)壁粘附，測(cè)量軸向拉伸形變。該方案對(duì)中心孔的加工垂直度要求非常高，現(xiàn)有加工能力很難滿足；而且傳感元件需采用較高精度的應(yīng)變片，對(duì)應(yīng)變片的粘貼要求也非常高，必須保證均勻良好貼合，可操作性不強(qiáng)。

方案2：將環(huán)形傳感器放置于軸承內(nèi)圈與芯軸螺栓端面之間，測(cè)量軸向壓縮形變，環(huán)形傳感器必須通過傳感器生產(chǎn)廠家定制，不同型號(hào)產(chǎn)品的內(nèi)圈和芯軸螺栓差異較大，無法滿足通用性要求，對(duì)于僅進(jìn)行單個(gè)型號(hào)產(chǎn)品的軸力測(cè)試，傳感器定制成本較高。

方案3：與方案2類似，在凸緣臺(tái)階端面與小內(nèi)圈端面之間放置環(huán)形傳感器。該方案通用性不強(qiáng)，傳感器定制成本較高。

方案4：在凸緣軸頸部粘貼應(yīng)變片，通過軸向壓縮形變測(cè)試軸力。該方案對(duì)應(yīng)變片的要求不高，普通的應(yīng)變片即可滿足；粘貼簡(jiǎn)單，采用502膠水即可；可操作性及通用性較強(qiáng)，能夠滿足不同品種的產(chǎn)品測(cè)試。

圖3 軸力測(cè)試方案

基于以上綜合因素的考慮，最終選定方案4進(jìn)行測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)建。

2 測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試系統(tǒng)主要包括如下子模塊：

1)測(cè)試用輪轂軸承、原裝花鍵軸、原裝鎖緊螺母、電阻式應(yīng)變片、擰緊測(cè)試的扭矩扳手等必備的測(cè)試樣件與相關(guān)附件；

2)應(yīng)變片標(biāo)定的壓力機(jī)構(gòu)，帶有底座平臺(tái)和壓力監(jiān)控面板；

3)連接底座平臺(tái)與試樣的相關(guān)工裝，設(shè)計(jì)工裝用于標(biāo)定和測(cè)試；

4)DH3810N應(yīng)變適配器、DH5922N采集硬件、DH5922N軟件等數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；

5)工控機(jī)平臺(tái)。

整個(gè)測(cè)試過程分為標(biāo)定和測(cè)試2大步驟，如圖4所示。為保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，測(cè)試過程中需注意以下幾點(diǎn)：

1)軸承內(nèi)圈與凸緣組件的凸緣軸頸部是粘貼應(yīng)變片的圓柱面，保證其表面粗糙度Ra不大于0.8 μm，防止表面的凹凸不平影響軸向應(yīng)變的一致性；

2)保證與軸承銜接的基座工裝與壓力標(biāo)定機(jī)構(gòu)加載臂的相對(duì)同軸度小于0.10 mm，同時(shí)保證銜接工裝與基座的相對(duì)垂直度小于0.08 mm，從而保證標(biāo)定、測(cè)試的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性；

3)應(yīng)變片標(biāo)定前對(duì)試樣進(jìn)行1～2次預(yù)壓，消除安裝間隙，由于實(shí)際裝車車輪螺栓的最大軸力一般在100 kN左右，預(yù)壓壓力建議選為50 kN。

4)應(yīng)變片橋路可以選擇全橋或半橋電路,全橋測(cè)試結(jié)果在一定程度上消除了工裝相互配合上的形位公差影響，結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確。如果經(jīng)過論證，2種方式相對(duì)誤差可控制在5%以內(nèi)，為節(jié)約成本，也可以選擇半橋電路。

1—扭矩扳手；2—套筒；3—加載臂；4—加載鋼球；5—壓套；6—鎖緊螺母；7—輪轂軸承組件(凸緣與內(nèi)圈組件)；8—測(cè)量應(yīng)變片；9—車輪螺栓；10—連接套；11—基座

3 測(cè)試實(shí)例

該測(cè)試系統(tǒng)能夠?qū)Φ?,2,3代輪轂軸承進(jìn)行軸力測(cè)試。對(duì)于第1代和第2代輪轂軸承，由于其內(nèi)滾道由2個(gè)內(nèi)圈零件組成，需根據(jù)現(xiàn)有的內(nèi)圈結(jié)構(gòu)選用同型號(hào)材料制作一個(gè)特制內(nèi)圈，用于粘貼應(yīng)變片，其余步驟與第3代測(cè)試方法相同。

以某主機(jī)廠H型車前輪第3代輪轂軸承為例，用主機(jī)廠提供的原裝同一批次芯軸和螺母進(jìn)行軸力測(cè)試，測(cè)試過程中的標(biāo)定曲線和測(cè)試結(jié)果(軸力與扭矩的關(guān)系)如圖5和圖6所示。

圖5 標(biāo)定曲線

圖6 軸力測(cè)試結(jié)果

根據(jù)以上測(cè)試結(jié)果，能夠?qū)型車前輪原裝車輪螺栓、螺母與車輪軸承三者匹配狀態(tài)下的軸力與扭矩關(guān)系進(jìn)行估計(jì)，估計(jì)方程為[5]

y=0.285 4x+9.189 0，

(3)

式中：y為軸力，kN；x為鎖緊扭矩，N·m。

完成測(cè)試后，為驗(yàn)證測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，通過壓力標(biāo)定機(jī)構(gòu)對(duì)試樣加載，驗(yàn)證壓力標(biāo)定機(jī)構(gòu)所施加壓力與測(cè)試系統(tǒng)實(shí)測(cè)壓力的一致性，驗(yàn)證結(jié)果見表1。由表可知，測(cè)試結(jié)果精度較高，能夠滿足應(yīng)用要求。

表1 軸力測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果

4 結(jié)束語

以輪轂軸承實(shí)際裝車狀態(tài)為重要依據(jù)，充分考慮緊固件軸力的各項(xiàng)影響因素，構(gòu)建了一種精確的輪轂軸承軸力測(cè)試系統(tǒng)，以H型車前輪軸承為例，對(duì)車輪螺栓軸力進(jìn)行了測(cè)試，獲取了該型車輪螺栓、螺母和軸承匹配下的軸力與扭矩的關(guān)系。通過對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的驗(yàn)證，準(zhǔn)確性較好，符合最初設(shè)計(jì)目的，能夠滿足應(yīng)用要求。

基于該測(cè)試系統(tǒng)的開發(fā)，對(duì)研究輪轂軸承工作游隙、評(píng)估緊固件(螺栓-螺母)匹配優(yōu)良程度和摩擦因數(shù)有重要的意義。