免調整輪轂軸承結構分析

陳亞軍，陳勇良

（1.甘肅機電職業技術學院，甘肅 天水 741000；2.浙江金澳蘭機床有限公司，浙江 金華 321200）

1 圓錐滾子軸承調隙的重要性

輪轂軸承是汽車的關鍵零部件之一，它的主要作用是承載重量和為輪轂的轉動提供精確引導，這就要求它不僅能承受軸向載荷，還要承受徑向載荷。所以，輪轂軸承通常選用成對安裝的圓錐滾子軸承。為了消除軸承在運轉過程中滾動體受離心力矩作用，造成滾動體和滾道之間產生相對滑動，導致軸、座圈分離傾向，確保軸承正常工作，必須施加一定的軸向預緊力，從而達到圓錐滾子軸承的調隙即裝配高的調整。

圓錐滾子軸承中游隙包括軸向游隙和徑向游隙，如圖1所示。一般來說，軸向游隙越大，徑向游隙也越大，反之也一樣[2]。據統計，成對安裝的圓錐滾子軸承，通過預緊可以提高系統支承剛度一倍左右[1]。

軸向預緊載荷的大小，直接影響著汽車的使用性能。若輪轂軸承預緊過緊,會增大車輪轉動阻力,滑行性能降低，軸承易于磨損。若輪轂軸承預緊過松,則會因車輪在滾動中產生的搖擺降低其行駛的穩定性，致使輪胎、輪轂及相關配件產生不正常磨損而過早失效。

目前，輪轂軸承常用的調整游隙的方法有：

（1）先緊后松法。將輪轂外軸承正位后，邊轉動輪轂，邊擰緊調整螺母，直到用手轉動輪轂很緊時，再將調整螺母退回即擰松1/6～1/4圈，然后將調整螺母固定，這就是輪轂軸承預緊方法中的“先緊后松”[3]。用此方法預緊時，當調整螺母擰緊后，兩軸承內圈將會向軸中心移動，使得軸承游隙減小為零或者負值，此時軸承游隙將會很小。當調整螺母擰松后，受軸承變形、摩擦阻力等影響，兩軸承內圈不會同步或同幅向軸的兩側移動，致使軸承游隙依然較小，故而加劇了軸承的磨損，使其壽命降低。

（2）尺寸鏈控制法。生產中，考慮到游隙對軸承工作剛度、疲勞壽命及軸的偏擺等因素的影響，通常用內外圈尺寸、軸承寬度、滾子尺寸等組成的封閉尺寸鏈來計算并控制游隙的尺寸。初始游隙是根據要求選配，可通過計算，也可通過測量，一般都能夠精確地控制和選擇。軸承安裝游隙計算起來較為復雜，安裝游隙的影響因素較多，如公差過盈量大小、配合面粗糙度等。其中公差過盈量大小是影響安裝游隙的主要因素。軸承通常采用內圈或外圈過盈安裝，但過盈量會引起內外脹縮，造成游隙的變化，能準確地計算安裝游隙的大小是非常必要的[4]。此方法計算中組成因素多、誤差大、計算精度低且生產精度要求較高，給軸承的生產加工、裝配及測量等過程帶來了困難，且準確度不高。

2 軸承疲勞壽命與游隙關系

2.1 軸承游隙取值范圍

輪轂軸承游隙呈以下3種情況，如圖2所示。

（1）0游隙，此時軸承游隙值為零，在位置角±90°范圍內的滾子會承受載荷，受載滾子數量較多。

（2）正游隙，此時軸承內部存在游隙，在位置角大于0°，小于90°的范圍內的滾子會承受載荷，受載滾子數量最少，出現因單個滾子承載應力最大而致使軸承過早疲勞失效的現象。

（3）負游隙，此時軸承內部不存在游隙，在位置角大于90°，小于180°的范圍內的滾子會承受載荷，受載滾子數量最多，單個滾子承載應力最小，故而軸承疲勞壽命最高。

2.2 軸承游隙對疲勞壽命的影響

在軸承工作游隙與疲勞壽命的關系圖中（圖3），當軸承游隙為-0.01mm時，軸承有最大的疲勞壽命，但隨著負游隙的增大，疲勞壽命同樣會顯著下降且降得很快。沿正游隙方向軸承壽命降低幅度相對平緩得多[5]。由于負游隙及零游隙時不便測量，所以實際應用中一般以零游隙值游隙下限，通常選取游隙為正值。

3 免調整輪轂軸承結構分析

3.1 免調整輪轂軸承結構

通常，輪轂軸承選用游隙可調的圓錐滾子軸承，通過移動軸承內、外滾道的相對軸向位置可以獲得所需要的游隙值[6]。

現通過在軸承間安裝隔套，在足夠的預緊力作用下，使內外軸承預緊且游隙變小的同時，讓隔套發生彈性變形，而向軸的兩側伸展，同時內外軸承的內圈將分別向軸的兩端移動，從而使軸承游隙由預緊后的小游隙而略微增大至合適的工作游隙，其結構如圖4所示。

3.2 免調整輪轂軸承內部力學模型

裝配好彈性隔套后，輪轂軸承各部件受力如圖5所示，首先鎖緊螺母將在連接法蘭上產生軸向壓力，并作用于外軸承內圈，此時軸向力分兩個方向傳遞：一個是通過圓錐滾子傳遞給外軸承外圈，外軸承外圈軸向力通過減速器殼軸承座傳遞給內軸承外圈，再通過圓錐滾子傳遞給內軸承內圈；一個是通過彈性隔套，進而作用于內軸承內圈，這兩個方向作用力在內軸承內圈進行匯合，并作用于主齒軸。兩個方向的作用力合力作用于主齒軸并與鎖緊螺母擰緊產生的軸向力平衡，形成主齒總成裝配的封閉力學模型。

3.3 影響免調整輪轂軸承性能的因素

預緊力的大小很重要，合適的預緊力才能使隔套產生合適的變形量，從而推動內圈產生合適的軸承游隙。若預緊力偏大，預緊后軸承游隙將會很小，隔套也將被嚴重的壓縮，回彈量變小，從而使軸承內圈向軸兩端移動距離太小，而產生了較小的游隙。反之，軸承游隙會相對增大，出現軸定位不穩而引發的偏擺現象；隔套材料及結構形狀也影響著預緊力的大小，受不同材料屈服極限的不同和同一材料不同形狀下的變形量不同等因素的影響，軸承預緊時須依據隔套材料及其形狀而確定預緊力的大小。

3.4 免調整輪轂軸承的原理及使用

3.4.1 免調整輪轂軸承原理

由于普通無隔套的輪轂軸承在使用時要對軸承內外圈裝配尺寸預緊力進行檢測計算，確保裝配后的軸承游隙在合適范圍，此過程相對復雜，操作難度較大。而帶隔套的免調輪轂軸承則無需在裝配時對零部件尺寸進行計算和控制，游隙只需通過施加預定的預緊力，讓軸承游隙變小的同時通過隔套的彈性變形，將兩軸承內圈向軸端外推，讓軸承游隙由小而略微變大至合適范圍。此過程，只需預先依據隔套材料、結構及回彈量確定出預緊載荷的大小，在軸承裝配后無需測量其游隙，只要施加固定的預緊載荷，其游隙便在合適的使用范圍內。

3.4.2 免調整輪轂軸承的使用

先在輪轂軸承間加裝隔套，接著采用先緊后松的方法完成輪轂軸承的調隙而無需用尺寸鏈來計算并控制游隙。隨著軸承的磨損和變形等因素的影響，軸承游隙也將會增大，其預緊力將隨之減小，會出現軸承壽命下降、軸偏擺等現象。此時只需定期對軸承再施加同樣大小的預緊力，然后在軸承游隙變小，軸承隔套彈性變形的作用下，兩軸承內圈又會向軸端外移，軸承游隙將會再一次調整到合適的工作范圍。此過程，無需計算和測量游隙，操控簡便、穩定。

4 結論

本文分析了圓錐滾子軸承調隙的重要性及復雜性，通過免調整輪轂軸承結構的分析，認識其調隙的原理及易操控的特點，為企業量產免調輪轂軸承提供指導。