輪轂軸承對車輪晃動的影響

李素娟

(浙江萬向精工有限公司，杭州 311202)

1 問題的提出

公司生產(chǎn)的第一代汽車輪轂用雙列角接觸球軸承(圖1)系為國內(nèi)某車型配套，在進(jìn)行例行的道路試驗時，其中一輛車進(jìn)行到8 000 km時，用手扳動車輪，發(fā)現(xiàn)車輪有輕微晃動的跡象，沒有達(dá)到客戶60 000 km的要求。經(jīng)過大量的檢測、試驗驗證及分析，排除了驅(qū)動軸等其他配合部件的原因，問題焦點鎖定在以下3個方面：

圖1 汽車輪轂用雙列角接觸球軸承

(1)驅(qū)動軸端鎖緊螺母的擰緊力矩不足，對軸承端面預(yù)緊力不足，使軸承不能在規(guī)定預(yù)載荷下工作[1-2]。

(2)軸承本身游隙過大，在與其他零件配合過程中，此游隙不能完全消除。

(3)轉(zhuǎn)向節(jié)內(nèi)孔與軸承外徑面配合的過盈量偏小，不能有效實現(xiàn)軸承預(yù)緊和消除軸承預(yù)先設(shè)定的游隙[1-2]。

為此，開展了如下的檢查對比工作，以便找出車輪晃動的原因。

2 原因分析

2.1 驅(qū)動軸端鎖緊螺母擰緊力矩的檢查

用帶顯示儀的扭矩扳手松開鎖緊螺母測量松脫力矩，實測值為225 N·m，經(jīng)過查詢相關(guān)圖紙得知，鎖緊螺母的規(guī)格為M24 mm×1.5 mm。

因T=0.2Fd

(1)

式中：T為鎖緊螺母的擰緊力矩；F為鎖緊螺母擰緊后產(chǎn)生的軸向預(yù)緊力；d為螺紋的基本大徑。

由(1)式可以計算出軸承的軸向預(yù)緊力只有46 kN[3]；但根據(jù)該軸承的設(shè)計要求，軸承的軸向預(yù)緊力應(yīng)大于60 kN，軸承在使用過程中才能夠達(dá)到最佳狀態(tài)。由(1)式可以計算出，螺母的擰緊力矩應(yīng)大于288 N·m，因此認(rèn)為此力矩較小，不滿足設(shè)計要求，考慮相關(guān)配合零件的制造誤差及計算誤差，建議將鎖緊力矩值規(guī)定為(320±20) N·m。

2.2 軸承游隙的檢查

對軸承的游隙進(jìn)行檢查，實際檢測結(jié)果為0.083 mm，而圖紙要求軸向游隙為0.07～0.10 mm，故軸承的軸向游隙滿足設(shè)計要求，不是故障產(chǎn)生的原因。

2.3 轉(zhuǎn)向節(jié)內(nèi)徑(孔)及軸承外徑的檢查

對轉(zhuǎn)向節(jié)內(nèi)徑及軸承外徑進(jìn)行了檢測，結(jié)果見表1。

表1 轉(zhuǎn)向節(jié)內(nèi)(孔)徑及軸承外徑檢查結(jié)果 mm

從表1中可以看出，轉(zhuǎn)向節(jié)內(nèi)(孔)徑尺寸超出設(shè)計要求。因：

(2)

式中：Δh為外圈滾道的減少量；I為過盈配合直徑的過盈量；Dh為外圈外徑(或轉(zhuǎn)向節(jié)內(nèi)孔直徑)名義值；D2為外圈溝道直徑；ξb為外圈的泊松比；Eb為外圈的彈性模量；Eh為轉(zhuǎn)向節(jié)的彈性模量；D1為轉(zhuǎn)向節(jié)外徑；ξh為轉(zhuǎn)向節(jié)的泊松比。

將軸承外徑及轉(zhuǎn)向節(jié)內(nèi)徑的檢測結(jié)果代入(2)式，計算得到外圈溝道減少量為0～0.013 mm，不滿足設(shè)計要求的0.025～0.054 mm。

根據(jù)以上檢測和計算結(jié)果，轉(zhuǎn)向節(jié)內(nèi)孔超出設(shè)計的最大孔徑要求，與軸承配合過盈量偏小，不能消除軸承預(yù)先設(shè)定的游隙，是導(dǎo)致車輪晃動的原因。

3 試驗驗證

3.1 臺架試驗

為了對分析結(jié)果進(jìn)行驗證，進(jìn)行了故障再現(xiàn)試驗驗證。挑選不同狀態(tài)的轉(zhuǎn)向節(jié)，在不同的螺母擰緊力矩條件下，按照汽車廠的安裝方式對總成進(jìn)行安裝，之后，按照汽車廠的一般耐久性試驗方法進(jìn)行臺架試驗，試驗后，檢測總成件的偏擺值(相當(dāng)于車輪擺動)。檢測方法見圖2，施加的力矩值：M=FR=±60 N·m，測量點位置：r=120 mm。試驗及檢測結(jié)果見表2。

表2 試驗及檢測結(jié)果

圖2 檢測示意圖

拆解后軸承未發(fā)生疲勞剝落，所以，在各種狀態(tài)下，軸承的疲勞壽命都滿足該車型的使用要求。

鎖緊螺母的力矩與總成件偏擺的關(guān)系見圖3。從圖3可以看出，兩種不同狀態(tài)下，總成的偏擺值基本一致。

圖3 鎖緊力矩與偏擺值的關(guān)系

不同鎖緊力矩下轉(zhuǎn)向節(jié)內(nèi)徑尺寸與總成件偏擺的關(guān)系見圖4。由圖可知：轉(zhuǎn)向節(jié)內(nèi)孔尺寸在設(shè)計要求范圍內(nèi)，總成的偏擺值低，滿足汽車廠的總成偏擺要求；轉(zhuǎn)向節(jié)內(nèi)徑尺寸不滿足設(shè)計要求時，總成的偏擺值較高，不滿足汽車廠的總成偏擺要求，故障得到再現(xiàn)。

圖4 轉(zhuǎn)向節(jié)內(nèi)孔直徑與偏擺值的關(guān)系(以內(nèi)徑基本尺寸74 mm計)

由以上試驗可以看出：轉(zhuǎn)向節(jié)內(nèi)徑尺寸雖然超出設(shè)計要求較小，但對總成的偏擺影響很大；而提高鎖緊螺母的擰緊力矩對總成的偏擺影響不大。

3.2 道路試驗

盡管通過臺架試驗驗證了此次故障產(chǎn)生的原因為轉(zhuǎn)向節(jié)內(nèi)孔尺寸超過了設(shè)計要求，但因道路試驗是汽車廠最終驗證手段，因此汽車廠又進(jìn)行了一次道路試驗。此次試驗將鎖緊螺母擰緊力矩改為(320±20) N·m，以驗證該力矩的合理性。試驗條件及結(jié)果見表3。

表3 道路試驗條件及結(jié)果

由路試結(jié)果可知：在相關(guān)零件都符合設(shè)計要求，螺母擰緊力矩調(diào)整為(320±20) N·m時，軸承壽命可以滿足該車型的使用要求；在同樣路試工況的條件下，到60 000 km以上時車輪仍然沒有產(chǎn)生晃動。

4 結(jié)論

(1)產(chǎn)生車輪晃動的根本原因為轉(zhuǎn)向節(jié)徑(孔)尺寸超出設(shè)計的最大值。

(2)軸承在兩種鎖緊力矩的情況下，疲勞壽命都可以滿足客戶的使用要求，但230 N·m的擰緊力矩偏離了設(shè)計值，為了提高整個車輪系統(tǒng)的可靠性，降低軸承損壞的概率，根據(jù)軸承的設(shè)計要求，將鎖緊螺母的安裝力矩確定為(320±20) N·m。