輪轂軸承軸力測試系統的研發

周旭，李興林，黃德杰

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

游隙是影響軸承疲勞壽命的關鍵指標，游隙過大或過小均會導致軸承使用壽命的降低。未進行裝車時，輪轂軸承的游隙稱為裝配游隙；將該狀態的軸承進行裝車時，軸承會被車輪螺栓以特定的扭矩鎖緊，從而產生軸向鎖緊力，使滾道發生軸向變形，形成裝車狀態下的游隙，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計要求的基礎上，需要獲取車輪螺栓在特定扭矩下產生的軸向鎖緊力(簡稱軸力)。

目前，車輪螺栓緊固件廠家一般以緊固件為主要測試對象，采用工裝替代被緊固件進行測試，該方式會導致螺母貼合端面間的摩擦因數失真，從而影響結果的準確性。另外，由于車輪螺栓結構的特殊性，對傳感元件的安裝方式(埋入車輪螺栓內或粘貼于螺栓上被加工出的平面上)也有所限制[1-3]。因此，構建了一種輪轂軸承軸力測試系統，為保證輪轂軸承高壽命的工作游隙提供檢驗依據。

1 測試方法

1.1 輪轂軸承鎖緊特征與測試要求

隨著汽車軸承高剛性、高可靠性要求的提出，輪轂軸承的發展越來越趨向于集成化，廣泛應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行鎖緊，有防松和施加滾道預載荷的作用，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載荷的大小。理論上，緊固件軸力的計算公式為[4]

(1)

(2)

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

圖2 參數dw與d0的取值

從理論分析及輪轂軸承的實際安裝特征可知，為獲取準確的鎖緊軸力，輪轂軸承軸力測試系統的構建必須滿足如下要求：

1)采用原裝車輪螺栓和螺母進行測試，保證螺栓與螺母旋合牙型之間摩擦因數的真實性，不允許用替代件，該因素會影響當量摩擦角；

2)采用原裝輪轂軸承零件開展測試，同時保證螺母貼合面的摩擦因數和貼合面積的真實性；

3)測試過程中，保證傳感元件或傳感器安裝定位的穩固性；

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，對于不同車輪螺栓的測試需要考慮到通用性。

1.2 測試方案的確定

為使測試結果能夠真實地反映實際裝車狀態下的鎖緊軸力，依據軸力測試系統的構建要求，提出了4種測試方案，如圖3所示。

方案1：在車輪芯軸螺栓上加工一個中心孔，將傳感元件埋入并通過特定膠水與芯軸金屬側壁粘附，測量軸向拉伸形變。該方案對中心孔的加工垂直度要求非常高，現有加工能力很難滿足；而且傳感元件需采用較高精度的應變片，對應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。

方案2：將環形傳感器放置于軸承內圈與芯軸螺栓端面之間，測量軸向壓縮形變，環形傳感器必須通過傳感器生產廠家定制，不同型號產品的內圈和芯軸螺栓差異較大，無法滿足通用性要求，對于僅進行單個型號產品的軸力測試，傳感器定制成本較高。

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

方案4：在凸緣軸頸部粘貼應變片，通過軸向壓縮形變測試軸力。該方案對應變片的要求不高，普通的應變片即可滿足；粘貼簡單，采用502膠水即可；可操作性及通用性較強，能夠滿足不同品種的產品測試。

圖3 軸力測試方案

基于以上綜合因素的考慮，最終選定方案4進行測試系統的構建。

2 測試系統

測試系統主要包括如下子模塊：

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

2)應變片標定的壓力機構，帶有底座平臺和壓力監控面板；

3)連接底座平臺與試樣的相關工裝，設計工裝用于標定和測試；

4)DH3810N應變適配器、DH5922N采集硬件、DH5922N軟件等數據采集系統；

5)工控機平臺。

整個測試過程分為標定和測試2大步驟，如圖4所示。為保證測試結果的準確性，測試過程中需注意以下幾點：

1)軸承內圈與凸緣組件的凸緣軸頸部是粘貼應變片的圓柱面，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變的一致性；

2)保證與軸承銜接的基座工裝與壓力標定機構加載臂的相對同軸度小于0.10 mm，同時保證銜接工裝與基座的相對垂直度小于0.08 mm，從而保證標定、測試的準確性和可重復性；

3)應變片標定前對試樣進行1～2次預壓，消除安裝間隙，由于實際裝車車輪螺栓的最大軸力一般在100 kN左右，預壓壓力建議選為50 kN。

4)應變片橋路可以選擇全橋或半橋電路,全橋測試結果在一定程度上消除了工裝相互配合上的形位公差影響，結果相對準確。如果經過論證，2種方式相對誤差可控制在5%以內，為節約成本，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(凸緣與內圈組件)；8—測量應變片；9—車輪螺栓；10—連接套；11—基座

3 測試實例

該測試系統能夠對第1,2,3代輪轂軸承進行軸力測試。對于第1代和第2代輪轂軸承，由于其內滾道由2個內圈零件組成，需根據現有的內圈結構選用同型號材料制作一個特制內圈，用于粘貼應變片，其余步驟與第3代測試方法相同。

以某主機廠H型車前輪第3代輪轂軸承為例，用主機廠提供的原裝同一批次芯軸和螺母進行軸力測試，測試過程中的標定曲線和測試結果(軸力與扭矩的關系)如圖5和圖6所示。

圖5 標定曲線

圖6 軸力測試結果

根據以上測試結果，能夠對H型車前輪原裝車輪螺栓、螺母與車輪軸承三者匹配狀態下的軸力與扭矩關系進行估計，估計方程為[5]

y=0.285 4x+9.189 0，

(3)

式中：y為軸力，kN；x為鎖緊扭矩，N·m。

完成測試后，為驗證測試系統的準確性，通過壓力標定機構對試樣加載，驗證壓力標定機構所施加壓力與測試系統實測壓力的一致性，驗證結果見表1。由表可知，測試結果精度較高，能夠滿足應用要求。

表1 軸力測試驗證結果

4 結束語

以輪轂軸承實際裝車狀態為重要依據，充分考慮緊固件軸力的各項影響因素，構建了一種精確的輪轂軸承軸力測試系統，以H型車前輪軸承為例，對車輪螺栓軸力進行了測試，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系。通過對測試系統的驗證，準確性較好，符合最初設計目的，能夠滿足應用要求。

基于該測試系統的開發，對研究輪轂軸承工作游隙、評估緊固件(螺栓-螺母)匹配優良程度和摩擦因數有重要的意義。