基于增量法研究輪轂軸承單元負游隙

高世陽 趙清華 許淑芹 張春龍 寇長海

摘 ?要：為了研究商用車輪轂軸承單元負游隙難以直接測量的問題，提出了一種基于增量法測量負游隙的方法。針對軸向定量預緊狀態下兩列圓錐滾子軸承的負游隙，采用有限元分析與實際測量驗證相結合的方法，在軸承尺寸保持不變的前提下增設游隙檢測墊片，將輪轂軸承單元的負游隙轉化為可以直接測量的正游隙，計算出軸承單元的負游隙。經過實際驗證，增量法計算值與實測值誤差不大于4.5%。

關鍵詞：輪轂軸承單元；負游隙；增量法；預緊力

中圖分類號：TH124 ? ? ?文獻標志碼：B ? ? ?文章編號：1005-2550（2023）04-0018-05

Research on Negative Clearance of Hub Bearing Unit Based on Incremental Method

GAO Shi-yang，ZHAO Qing-hua，XU Shu-qin，ZHANG Chun-long，KOU Chang-hai

（Shandong Haoxin Co.， Ltd.， Weifang 261300， China）

Abstract： In order to study the problem that it is difficult to measure the negative clearance of commercial vehicle hub bearing units directly， a method based on incremental method was proposed to measure the negative clearance. Aiming at the negative clearance of two rows of tapered roller bearings under axial quantitative preloading， a method combining finite element analysis and actual measurement verification is used to add clearance detection shims while keeping the bearing size unchanged. The negative clearance of the hub bearing unit is converted into a positive clearance that can be directly measured， and the negative clearance of the bearing unit is calculated. After practical verification， the error between the calculated value of the incremental method and the measured value is not greater than 4.5%.

Key Words： Hub Bearing Unit; Negative Clearance; Incremental Method; Preload

1 ? ?引言

輪轂軸承單元（輪轂和軸承的總成件）包括輪轂本體和安裝于輪轂本體軸承室內的內圓錐滾子軸承和外圓錐滾子軸承，是商用車的關鍵功能部件，其運行狀態直接決定了整車的安全性、舒適性和可靠性[1，2]。其結構有多個零部件組成，其中軸承是承受車輛運行中產生軸向力、徑向力的主要部件，軸承游隙配合狀態為疲勞壽命的主要影響因素之一。現有輪轂軸承單元已更新至第三代，主要的技術優勢體現在負游隙，設置合理負游隙值直接關系到軸承的壽命、噪聲和發熱現象，合理游隙值還能降低軸承失效概率[3]。

軸承游隙是指軸承內部的滾動體與滾道之間的間隙，一般為正值。公知的汽車輪轂軸承單元，在輪轂本體和半軸套管形成的軸承室內通常安裝兩套圓錐滾子軸承，圓錐滾子軸承的游隙是可調的。在輪轂軸承單元的裝配過程中，通過施加預緊力，使軸承的滾動體與滾道之間產生彈性變形，這個彈性變形相對于原來的正游隙來說，把間隙由正值變成了負值，故也常稱為負游隙。根據歐洲某軸承公司BTH-0087-B1軸承壽命理論分析表明：軸承游隙設計在一定范圍（例如-5～-200μm）內時，滾動體的工作條件能夠改善，各個滾動體更加均勻的受力，軸承有更長的壽命。當游隙值大于-5μm時，由于溝道預載荷變小，隨著工作游隙的增加，載荷集中作用于受力方向的滾動體上，這部分滾動體和滾道接觸處將會產生較大的集中應力，導致軸承的壽命縮短；當游隙值小于-200μm時，溝道預載荷過大，運轉過程中軸承內部溫度升高且軸承內圈擠壓變形，隨著工作游隙的減小，軸承壽命呈急劇下降趨勢，同時也會增大摩擦力矩，降低軸承傳動效率，莫易敏等人闡述了商用汽車輪轂軸承單元的負游隙對軸承的摩擦力矩存在較大影響[4]。近年來，由于負游隙輪轂軸承單元在使用壽命方面的優勢，在商用車領域得到了廣泛的應用。

目前常用負游隙測量方法：首先將輪轂與軸承過盈裝配，并對軸承施加預緊力，在輪轂的法蘭盤處施加旋轉角速度，使其勻速旋轉運動。軸承的滾動體克服摩擦力轉動，記錄此時的力矩值，最后根據積累的數據庫和經驗來判斷負游隙值的范圍。

該方法需要總結以往的經驗，積累力矩值和負游隙關系的數據，建立數據庫。數據量累積越多，推斷出負游隙值越能接近于真實值。因此，該方法不能方便快捷的檢測出輪轂軸承單元負游隙。

對于正游隙輪轂輪轂單元來說，軸承游隙可以用重力法，利用翻轉臺架和千分表測量出來。但對于負游隙輪轂輪轂單元來說，軸承的滾動體和滾道有預緊力作用，也就無法通過常規方法測出負游隙。

田助新等人通過引入一個零游隙的樣件，基于赫茲接觸理論提出一種剛性測量方法，該方法需要建立軸承負游隙與彈性變形量差值直接的映射關系，把負游隙的測量問題轉換成軸承彈性變形量差值的問題[5]。ChenLong、Bo Zhao和A Rezaei等人采用不同靜力學方法研究了在不同的固定載荷下，并且在不同游隙值下仿真分析出相應的接觸應力，得出了相應工況下的游隙值[6-8]。但上述方法局限于學術方面，實際生產中應用不方便。

正游隙輪轂軸承單元的軸承內圈受到軸向預緊力只有軸承內圈被軸向壓縮，對外圈無影響。負游隙輪轂軸承單元的軸承內圈受到軸向預緊力軸承內圈被壓縮的同時，滾子被擠壓與外圈貼合，外圈要承受部分擠壓的力。輪轂和軸承外圈過盈配合，輪轂壁厚通常是軸承外圈的2倍以上，起到強化軸承外圈的剛度作用，導致預緊力通過滾子傳遞到軸承外圈的擠壓力對軸承外圈的影響非常小。

負游隙輪轂軸承單元裝配需要鎖緊螺母施加額定預緊力，使外圓錐滾子軸承和內圓錐滾子軸承的內圈端面相貼靠，并使兩個軸承的滾動體與相應的滾道之間形成負游隙。通過有限元仿真計算發現，在定量軸向預緊力下，軸承負游隙對軸承滾動體及外圈變形量不超過4μm。由此可知，兩軸承內圈之間加游隙測量墊片對軸承的軸向變形量影響非常小，從負游隙轉換為正游隙測量的影響可忽略不計。

有鑒于此，我們研發一種輪轂軸承單元負游隙的檢測方法，可將輪轂軸承單元的負游隙轉化為通過翻轉臺架和千分表直接測量的正游隙，為提高輪轂軸承單元的使用壽命提供了直觀的數據參考。

2 ? ?測量步驟

輪轂軸承單元負游隙可以用以下步驟檢測得出。

2.1 ? 計算軸向預緊力

該測量方法使用的游隙測量墊片材料是40Cr，在預緊力的作用下厚度會壓縮變薄，可以用以下公式把螺母擰緊力矩轉化為預緊力，再用有限元方法計算游隙檢測墊片的壓縮量Δt。

螺栓扭矩和軸向力的關系可以如下方法計算[9]：

（1）

（2）

M：扭矩

P：螺栓軸向力

d：螺栓公稱直徑

k：螺栓擰緊力矩系數

f：擰緊螺母時接頭的當量摩擦系數

R：螺母承力面外半徑

r：螺母承力面內半徑

t：螺距

β：螺紋半角，三角形螺紋半角β=30°

d2：螺紋中徑

圖2是根據試驗繪制的三種潤滑條件對k值的影響關系圖[9]，潤滑條件對擰緊力矩轉化預緊力的影響顯著，三種常見的潤滑介質影響下擰緊力矩系數k差值達到0.052。為減少潤滑介質影響，所以本測量方法在無潤滑介質條件下進行。

2.2 ? 有限元方法分析游隙檢測墊片厚度變化量Δt

有限元分析模型的步驟：

2.2.1 建立幾何實體模型并進行模型前處理。

2.2.2 六面體網格劃分，軸承內圈網格尺寸2mm，游隙測量墊片網格尺寸1mm，厚度方向采用兩層網格，使節點應力更連續，避免應力集中。

2.2.3設定軸承內圈和游隙測量墊片的摩擦接觸，摩擦系數0.2。

2.2.4約束邊界條件及施加載荷，約束軸承內圈下端面dof1～6，施加垂直于游隙測量墊片載荷，數值依據公式（2）。

2.2.5設置求解器及查看位移云圖。

通過有限元分析軟件后處理程序，提取壓縮量Δt的結果。

2.3 ? 軸承單元增加游隙檢測墊片后的游隙

2.3.1將半軸套管固定于翻轉臺架上，拆分輪轂軸承單元后，將內圓錐滾子軸承和外圓錐滾子軸承的外圈重新壓裝到輪轂本體內，將內圓錐滾子軸承的內圈安裝在檢測用半軸套管上，然后將輪轂本體放置在半軸套管上。

2.3.2 將游隙測量墊片套在半軸套管上，游隙測量墊片的初始厚度記為t1；將外圓錐滾子軸承的內圈安裝在半軸套管上，將鎖緊墊片套入半軸套管，鎖緊螺母旋到檢測用半軸套管的螺紋上，并施加檢測預緊力，使外圓錐滾子軸承的內圈軸向擠壓游隙測量墊片，檢測預緊力與工作狀態下的額定預緊力同等大小，游隙測量墊片在檢測預緊力的作用下厚度壓縮至t2，變化值記為Δt。

2.3.3 將千分表與檢測用半軸套管相對固定，千分表的測量頭頂靠在輪轂本體的一個端面上。

2.3.4 調整翻轉臺架，使輪轂軸承單元位于第一測量工位，即輪轂中心軸線垂直向上狀態（如圖5），千分表的讀數歸零；翻轉臺架翻轉180?，使輪轂軸承單元位于第二測量工位，千分表的讀數記為y。

考慮到預緊力的作用，測量墊片實際撐開的距離是t1-Δt，在檢測條件下輪轂軸承單元的軸向游隙為： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

X負：負游隙值

y：千分表讀取的值

t1：游隙測量墊片原始厚度

Δt：游隙測量墊片厚度變化量

A-預緊前間隙；H-預緊前滾動體位置；

h-預緊后滾動體位置；x-預緊后負游隙值

3 ? ?驗證結果及分析

為了驗證增量法測量輪轂軸承單元負游隙（下稱：增量法）的可靠性，我們以BTH-0087 -B1軸承單元為例，聯合軸承企業共同驗證，分別隨機抽取10件樣品，使用現行的負游隙測量方法測出軸承單元的負游隙值。

3.1 ? 增量法測量負游隙的結果

我們隨機抽取10件BTH-0087-B1軸承單元，利用試驗室內增量法專用的翻轉臺架測出千分表讀取的值y，再根據鎖緊螺母的擰緊力矩計算出軸承單元軸向預緊力，利用有限元的方法得出Δt，最終通過計算得知負游隙值。

3.2 ? 轉動力矩法測量負游隙的結果

軸承企業采用的是轉動力矩法（下稱：力矩法）測量負游隙值，該測量方法是軸承單元專用設備在軸承單元內圈和外圈的特定位置加上額定預載荷后，檢測軸承單元的轉動力矩，利用數據庫分析軸承單元的負游隙值，共檢測10件BTH-0087-B1軸承單元負游隙并記錄。

3.3 ? 兩種測量方法結果對比

軸承廠家采用轉動力矩法，是用專業定制的設備測量的，測量結果準確度主要依賴測量設備。增量法屬于間接測量法，忽略軸向預緊力下負游隙對軸承滾動體及外圈變形量，實測的結果偏差率不大于4.5%。增量法優勢在于不需要積累經驗，只要簡單精密工裝就能方便快捷的測算出負游隙值。

我們分析上述測量結果可知，使用增量法測量的輪轂軸承單元負游隙與軸承企業現行的力矩法、轉角法測量結果相近，最大偏差值5μm，精度較高。

4 ? ?結論

對于兩副圓錐滾子軸承的內圈相貼靠的輪轂軸承單元，可以采用在兩副圓錐滾子軸承的內圈之間增設游隙測量墊片的方法。對于兩副圓錐滾子軸承的內圈之間通過隔套相貼靠的輪轂軸承單元，可以用上述方法同一構思，替換已知厚度的隔套，即可把負游隙轉化為可以測量的正游隙。該方法簡單易行準確性高，為提高輪轂軸承單元的使用壽命提供了直觀的數據參考。

參考文獻：

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