周 岳

(常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，江蘇 常州 213164)

為滿足轎車零部件輕量化和改善性能的要求，國(guó)外轎車輪轂軸承經(jīng)歷了第1代、第2代，現(xiàn)已發(fā)展到第3代、第4代[1]。第3代轎車輪轂軸承以其在功能性、緊湊性、可靠性、維護(hù)性方面明顯的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用[2]。而我國(guó)在轎車輪轂軸承開發(fā)研制方面起步較晚，目前轎車普遍使用的是第1代、第2代輪轂軸承，第3代后輪轂軸承雖有少數(shù)國(guó)內(nèi)企業(yè)已批量生產(chǎn)，但尚未大批量在轎車上使用?，F(xiàn)以第2代輪轂球軸承為例來討論國(guó)產(chǎn)化開發(fā)及降本措施。

1 開發(fā)過程

一般來講，轎車輪轂軸承的開發(fā)分為3個(gè)階段。第1階段采用進(jìn)口總成(Completely Knocked Down,CKD)，滿足轎車新項(xiàng)目投產(chǎn)的需要。這主要是因?yàn)檗I車底盤平臺(tái)技術(shù)受制于國(guó)外合資企業(yè)及輪轂軸承原供應(yīng)商專利保護(hù)。第2階段由原供應(yīng)商在中國(guó)的企業(yè)進(jìn)行進(jìn)口散件組裝(Semi-Knocked Down,SKD)。第3階段由軸承原供應(yīng)商在中國(guó)的企業(yè)進(jìn)行散件國(guó)產(chǎn)化(Localization step 1, LC1)。隨著成本壓力的不斷上升，加上戰(zhàn)略考慮，需要引進(jìn)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，以減少供貨風(fēng)險(xiǎn)、質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)和價(jià)格風(fēng)險(xiǎn)，建立一個(gè)高效、穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)的零部件供應(yīng)體系，因此，第4階段為深度國(guó)產(chǎn)化(Localization step 2 ,LC2)，即選擇原供以外的國(guó)內(nèi)供應(yīng)商做替代開發(fā)(已于近年開展)。

在國(guó)產(chǎn)化過程中，特別是第3，4階段需要嚴(yán)格遵循“質(zhì)量領(lǐng)先、價(jià)格合理、供貨及時(shí)、服務(wù)周到”的原則，特別是“質(zhì)量第一”的原則，嚴(yán)格進(jìn)行供應(yīng)商的選擇。圖1顯示了各階段質(zhì)量、成本的相對(duì)關(guān)系(以CKD零件為標(biāo)桿)?？傮w來講，在質(zhì)量要求基本不變的條件下，隨國(guó)產(chǎn)化的深入，產(chǎn)品成本大幅下降，但其中的質(zhì)量成本會(huì)有所上升。選擇第4階段供應(yīng)商時(shí)要特別注意，一方面要選擇具有較強(qiáng)的產(chǎn)品開發(fā)能力，資金和技術(shù)實(shí)力都比較雄厚，在國(guó)內(nèi)同行業(yè)中具有明顯競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的廠家作為合作對(duì)象；另一方面要以戰(zhàn)略伙伴為目標(biāo)，加以扶持、培養(yǎng)，不斷提升質(zhì)量能力，降低產(chǎn)品質(zhì)量成本，這樣才能真正有效降低成本，產(chǎn)生效益。

圖1 國(guó)產(chǎn)化各階段相對(duì)成本梯度(以CKD成本為標(biāo)桿)

上述階段的劃分，主要是考慮到目前國(guó)內(nèi)轎車整車平臺(tái)技術(shù)開發(fā)能力的不足；因此，基本走的是先引進(jìn)(CKD)，再逐步國(guó)產(chǎn)化的路子。即在質(zhì)量、成本、進(jìn)度不能同時(shí)兼顧的前提下，優(yōu)先考慮質(zhì)量、進(jìn)度，占領(lǐng)市場(chǎng)，再逐步降低成本，穩(wěn)固市場(chǎng)。但對(duì)今后自主開發(fā)轎車來講，就可利用現(xiàn)有成果，直接開展第4階段的工作，并深化下去，開發(fā)兩三家戰(zhàn)略供應(yīng)商，不斷優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、提高質(zhì)量和壽命，降低成本。

2 成本構(gòu)成與降本措施

產(chǎn)品成本由原材料費(fèi)用、直接工資、制造費(fèi)用、產(chǎn)品損失費(fèi)、財(cái)務(wù)管理費(fèi)、企業(yè)管理費(fèi)、銷售費(fèi)用和合理利潤(rùn)8項(xiàng)組成。產(chǎn)品成本按其來源分為國(guó)外形成成本和國(guó)內(nèi)形成成本。國(guó)外形成成本是指進(jìn)口零部件的費(fèi)用，包括國(guó)外零部件的售價(jià)、包裝費(fèi)、進(jìn)口關(guān)稅及運(yùn)費(fèi)等，是進(jìn)口國(guó)外零部件在入廠前所發(fā)生的各項(xiàng)費(fèi)用的總和； 國(guó)內(nèi)形成成本是指產(chǎn)品成本中扣除國(guó)外形成成本的余下部分， 即國(guó)產(chǎn)外購(gòu)件的費(fèi)用、生產(chǎn)制造費(fèi)用、直接工資、管理費(fèi)以及銷售費(fèi)等的總和[3]。

針對(duì)不同的開發(fā)階段，降低成本的切入點(diǎn)和措施也不同。第1，2 階段降低成本主要通過商務(wù)談判實(shí)現(xiàn)，且受匯率、關(guān)稅變化影響，對(duì)成本下降貢獻(xiàn)不大。較為可行的措施是減少商務(wù)中間環(huán)節(jié)，將傭金、代理費(fèi)或營(yíng)業(yè)稅等費(fèi)用降低。

第3階段，由于進(jìn)口軸承生產(chǎn)商(Original Equipment Manufacturer, OEM)對(duì)產(chǎn)品技術(shù)的保護(hù)，只能通過OEM在中國(guó)的工廠進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化，缺少競(jìng)爭(zhēng)，成本下降還不是很多。這個(gè)階段主要通過國(guó)內(nèi)較低的工資、較低的管理費(fèi)用實(shí)現(xiàn)成本的降低，OEM的利潤(rùn)并未下降。

第4階段，避開了專利使用費(fèi)用，同時(shí)出廠成本、利潤(rùn)大幅下降，主機(jī)廠享受到所有環(huán)節(jié)的成本下降及其他戰(zhàn)略好處。該階段減少了供貨風(fēng)險(xiǎn)、質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)和價(jià)格風(fēng)險(xiǎn)，建立了一個(gè)高效、穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)的零部件供應(yīng)體系，并通過競(jìng)爭(zhēng)，促進(jìn)供應(yīng)商不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量和服務(wù)質(zhì)量，不斷降低價(jià)格[4]。

3 某車型后輪轂軸承的匹配及國(guó)產(chǎn)化開發(fā)

該第2代輪轂球軸承由內(nèi)圈、外圈、鋼球、保持架、密封圈、輪轂螺栓、ABS齒圈構(gòu)成，如圖2所示。該產(chǎn)品的開發(fā)是隨整車新項(xiàng)目開始的。因此，在上述開發(fā)思想的指導(dǎo)下，為保證整車項(xiàng)目進(jìn)度，先進(jìn)行CKD原配軸承的中國(guó)匹配開發(fā)，再進(jìn)行LC1和LC2國(guó)產(chǎn)化開發(fā)。

1—鋼球；2—保持架；3—輪轂螺栓；4—輪轂一體外圈；5—內(nèi)圈；6—密封圈；7—ABS齒圈圖2 第2代輪轂球軸承結(jié)構(gòu)

3.1 CKD原配匹配開發(fā)

一般來講，CKD零件在國(guó)外車型上已批量使用，在國(guó)內(nèi)同平臺(tái)車型上使用問題不大，但考慮到使用環(huán)境的變化，需要做適應(yīng)性驗(yàn)證試驗(yàn)，主要進(jìn)行10萬公里強(qiáng)化耐久跑車試驗(yàn)(相當(dāng)于實(shí)際道路30萬公里)和全國(guó)道路試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，左、右輪轂軸承分別有4套提前失效，未達(dá)到10萬公里試驗(yàn)要求，見圖3。

圖3 CKD軸承潤(rùn)滑脂量改進(jìn)前道路耐久試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)故障記錄及故障件拆檢結(jié)果可知，故障的共同現(xiàn)象為潤(rùn)滑脂被燒成碳粒狀，保持架熔化，密封圈硬化。該失效為溫度過熱所致，供應(yīng)商反映在國(guó)外市場(chǎng)上無類似故障發(fā)生。進(jìn)一步分析相關(guān)零件，對(duì)比未經(jīng)試驗(yàn)的CKD零件及對(duì)照原供提供的DFEAM(設(shè)計(jì)失效影響分析模型)，發(fā)現(xiàn)潤(rùn)滑脂分布很不均勻，外圈溝道上幾乎沒有潤(rùn)滑脂，但潤(rùn)滑脂質(zhì)量符合圖紙要求，認(rèn)為這是沒有充分潤(rùn)滑導(dǎo)致的故障，要求供應(yīng)商增加潤(rùn)滑脂量并加強(qiáng)預(yù)充脂均勻性控制。對(duì)改進(jìn)后的樣件路試，10萬公里結(jié)束未失效，認(rèn)為合格。

3.2 LC1國(guó)產(chǎn)化開發(fā)

該階段國(guó)產(chǎn)化由原供的國(guó)內(nèi)合資廠進(jìn)行，設(shè)計(jì)圖紙不變，原材料采購(gòu)渠道不變，僅進(jìn)行內(nèi)、外圈及保持架的國(guó)產(chǎn)化，鋼球、密封圈、輪轂螺栓、ABS齒圈保持不變，采用OEM CKD件。供應(yīng)商完成開發(fā)、自檢試驗(yàn)合格后送樣，主機(jī)廠按照嚴(yán)格的程序進(jìn)行認(rèn)可試驗(yàn)。原供在產(chǎn)品開發(fā)、質(zhì)量控制方面具有豐富的經(jīng)驗(yàn)，國(guó)產(chǎn)化開發(fā)駕輕就熟，相對(duì)于完成異地生產(chǎn)，沒有太多的波折，這里不再贅述。

3.3 LC2國(guó)產(chǎn)化開發(fā)

該階段由第2家國(guó)內(nèi)供應(yīng)商進(jìn)行除油脂外零件的國(guó)產(chǎn)化。由于原圖紙受知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)，該供應(yīng)商只能獲得主機(jī)廠安裝尺寸、質(zhì)量、壽命要求等邊界條件，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需全新開發(fā)。

根據(jù)我國(guó)轎車軸承失效統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果[5]， 表1中6種失效形式比較普遍，占故障件樣本的比例較高。

表1 國(guó)內(nèi)轎車輪轂球軸承主要失效類型

轎車在運(yùn)行過程中路況復(fù)雜，環(huán)境惡劣，輪胎與地面的作用使車輪既承受徑向力又承受軸向力；當(dāng)汽車在斜面上轉(zhuǎn)彎時(shí)還受到軸向力產(chǎn)生的彎矩作用。影響軸承壽命的因素是多種多樣的，所有安裝、使用、維護(hù)和保養(yǎng)以及軸承材料和設(shè)計(jì)制造過程都與軸承的壽命有關(guān)。主要影響因素有：溝道幾何尺寸匹配設(shè)計(jì)、軸承鋼原材料的潔凈度和組織均勻性、熱處理質(zhì)量、表面層質(zhì)量、表面殘余應(yīng)力、安裝和使用(特別是軸承游隙的調(diào)整)、密封與潤(rùn)滑[6]。

針對(duì)上述失效模式及影響因素，根據(jù)整車載荷及壽命要求和軸承結(jié)構(gòu)形式，計(jì)算出額定動(dòng)載荷，選擇符合要求的系列軸承。外圈材料采用優(yōu)質(zhì)碳素鋼,其鍛造性能優(yōu)良，有很好的抗旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞特性和耐沖擊性能，價(jià)格低于高碳鉻鋼；內(nèi)圈、鋼球仍采用高碳鉻鋼(表2)。潤(rùn)滑采用抗氧化，耐高、低溫(-30～150 ℃)，耐磨且摩擦系數(shù)低的鋰基潤(rùn)滑脂；密封采用耐污水、力矩特性好、耐腐蝕的腈橡膠(NBR)加甩油環(huán)混合式密封圈。

表2 CKD/LC1/LC2軸承用材料

從內(nèi)、外圈材料看，性能基本無差異，因此，LC2開發(fā)能否成功，能否達(dá)到LC1/CKD的性能，關(guān)鍵看工藝過程的質(zhì)量控制，其對(duì)保證產(chǎn)品的質(zhì)量及壽命舉足輕重。供應(yīng)商及主機(jī)廠共同確定了產(chǎn)品工藝控制關(guān)鍵指標(biāo)(表3)，建立了PFEAM (工藝過程失效影響分析模式)，對(duì)從原材料入廠開始，經(jīng)鍛造、車削、熱處理、磨削、清洗、裝配、注脂、包裝、運(yùn)輸?shù)?0多道工序及檢驗(yàn)環(huán)節(jié)進(jìn)行了潛在失效模式及失效后果分析，并按影響重要程度(分關(guān)鍵、重要、安全及基本4個(gè)等級(jí))排序，對(duì)關(guān)鍵、重要工序和指標(biāo)再制定詳細(xì)的工藝流程卡，將操作、檢驗(yàn)及檢測(cè)具體化，并嚴(yán)格控制執(zhí)行，以期最終獲得理想的開發(fā)結(jié)果和產(chǎn)品質(zhì)量。

表3 LC2軸承關(guān)鍵指標(biāo)

4 認(rèn)可試驗(yàn)

4.1 剛度試驗(yàn)

考核彎矩作用下軸承的剛性時(shí)，施加載荷為200～6 700 N，力臂為300 mm。 200 N時(shí)，要求其剛度大于5.7 kN·m/(°)；6 700 N時(shí)，要求其剛度大于6.0 kN·m/(°)。從試驗(yàn)結(jié)果(圖4)可知，6 700 N載荷下LC2,LC1和CKD樣件的剛度都不能滿足要求，但LC2 ，LC1優(yōu)于CKD樣件，認(rèn)為剛度合格。

圖4 剛度試驗(yàn)值

4.2 沖擊載荷試驗(yàn)

施加29.0 kN的沖擊載荷，加載力臂為300 mm，相當(dāng)于施加2.0g(g為重力加速度，下同)加速度或12 kN的道路沖擊載荷,要求軸承不產(chǎn)生裂紋。試驗(yàn)結(jié)果為：軸承無裂紋，輪轂軸及固定螺栓發(fā)生彎曲變形，產(chǎn)品合格。

4.3 0.8g穩(wěn)定沖擊載荷疲勞試驗(yàn)

該試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為400 r/min，徑向載荷為9.32 kN, 軸向載荷為7.46 kN, 施加0.8g恒穩(wěn)定沖擊載荷，強(qiáng)制通風(fēng)冷卻，直至軸承出現(xiàn)故障，要求軸承的循環(huán)次數(shù)大于105次。4個(gè)試樣出現(xiàn)內(nèi)圈剝落的循環(huán)次數(shù)分別達(dá)到了3.68×105，4.78×105，5.14×105，3.94×105次，結(jié)果遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)要求，產(chǎn)品合格。

4.4 歐洲循環(huán)試驗(yàn)

由45種工況組成，考核軸承和輪轂的疲勞壽命。該試驗(yàn)為歐洲循環(huán)壽命試驗(yàn)的一種，取8套軸承進(jìn)行試驗(yàn)，取壽命排在第5位的那套軸承的壽命作為該組軸承的名義疲勞壽命L50，要求L50>7.75×106次。

試驗(yàn)結(jié)果表明， 3種狀態(tài)下內(nèi)側(cè)軸承的內(nèi)圈和鋼球都出現(xiàn)了剝蝕，潤(rùn)滑脂顏色變深但量并未減少。從圖5和表4可知，3種狀態(tài)軸承都未達(dá)到循環(huán)次數(shù)要求，但結(jié)果接近，說明LC2狀態(tài)至少達(dá)到了CKD/LC1的壽命指標(biāo)，可以接受。

表4 L50疲勞壽命

圖5 循環(huán)壽命試驗(yàn)值

4.5 實(shí)車道路耐久試驗(yàn)

對(duì)兩輛汽車進(jìn)行8 000公里強(qiáng)化道路試驗(yàn)，對(duì)4輛汽車進(jìn)行10萬公里耐久道路試驗(yàn)(當(dāng)量相當(dāng)于真實(shí)用戶30萬公里里程)，試驗(yàn)結(jié)果無故障，表明新開發(fā)的軸承壽命可達(dá)到30萬公里。

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)在從緊經(jīng)濟(jì)環(huán)境及原材料漲價(jià)，轎車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的背景下，輪轂軸承深度國(guó)產(chǎn)化是降本增效，培育優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)定供應(yīng)商體系的重要舉措。

(2)國(guó)外批量認(rèn)可的CKD軸承，不一定適應(yīng)國(guó)內(nèi)使用環(huán)境，需要匹配驗(yàn)證，有時(shí)需要作出局部調(diào)整。

(3)對(duì)國(guó)內(nèi)轎車輪轂軸承失效模式進(jìn)行收集、統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)于提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量，延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命有很大的幫助。

(4)過程失效及影響分析(PFEAM)工作的開展，對(duì)于提升國(guó)內(nèi)非原配供應(yīng)商的質(zhì)量能力、管理水平起重要作用，關(guān)系深度國(guó)產(chǎn)化的成敗。

(5)國(guó)外輪轂軸承開發(fā)試驗(yàn)的程序相對(duì)比較苛刻，可以說是高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求，有時(shí)國(guó)外原供應(yīng)商的產(chǎn)品也未必能完全滿足試驗(yàn)要求，但其對(duì)供應(yīng)商能起到促進(jìn)作用，迫使供應(yīng)商不斷改進(jìn)，提高質(zhì)量，不敢絲毫懈怠。在國(guó)內(nèi)應(yīng)用時(shí)，要根據(jù)國(guó)內(nèi)供應(yīng)商能力、成本因素等實(shí)際情況，適當(dāng)調(diào)整要求，但不能低于CKD零件的質(zhì)量。