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(yàn)時(shí)，其中一輛車進(jìn)行到8 000 km時(shí)，用手扳動(dòng)車輪，發(fā)現(xiàn)車輪有輕微晃動(dòng)的跡象，沒有達(dá)到客戶60 000 km的要求。經(jīng)過大量的檢測(cè)、試驗(yàn)驗(yàn)證及分析，排除了驅(qū)動(dòng)軸等其他配合部件的原因，問題焦點(diǎn)鎖定在以下3個(gè)方面：

圖1 汽車輪轂用雙列角接觸球軸承

(1)驅(qū)動(dòng)軸端鎖緊螺母的擰緊力矩不足，對(duì)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(shí)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(duì)比工作，以便找出車輪晃動(dòng)的原因。

2 原因分析

2.1 驅(qū)動(dòng)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(cè)量松脫力矩，實(shí)測(cè)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)要求，考慮相關(guān)配合零件的制造誤差及計(jì)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(duì)軸承的游隙進(jìn)行檢查，實(shí)際檢測(cè)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(jì)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(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)內(nèi)徑及軸承外徑進(jìn)行了檢測(cè)，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(jì)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(cè)結(jié)果代入(2)式，計(jì)算得到外圈溝道減少量為0～0.013 mm，不滿足設(shè)計(jì)要求的0.025～0.054 mm。

根據(jù)以上檢測(cè)和計(jì)算結(jié)果，轉(zhuǎn)向節(jié)內(nèi)孔超出設(shè)計(jì)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(dòng)的原因。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 臺(tái)架試驗(yàn)

為了對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)行了故障再現(xiàn)試驗(yàn)驗(yàn)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(duì)總成進(jìn)行安裝，之后，按照汽車廠的一般耐久性試驗(yàn)方法進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)后，檢測(cè)總成件的偏擺值(相當(dāng)于車輪擺動(dòng))。檢測(cè)方法見圖2，施加的力矩值：M=FR=±60 N·m，測(cè)量點(diǎn)位置：r=120 mm。試驗(yàn)及檢測(cè)結(jié)果見表2。

表2 試驗(yàn)及檢測(cè)結(jié)果

圖2 檢測(cè)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(jì)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(jì)要求時(shí)，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(jì))

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

3.2 道路試驗(yàn)

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

表3 道路試驗(yàn)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(jì)要求，螺母擰緊力矩調(diào)整為(320±20) N·m時(shí)，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(shí)車輪仍然沒有產(chǎn)生晃動(dòng)。

4 結(jié)論

(1)產(chǎn)生車輪晃動(dòng)的根本原因?yàn)檗D(zhuǎn)向節(jié)徑(孔)尺寸超出設(shè)計(jì)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(jì)值，為了提高整個(gè)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(jì)要求，將鎖緊螺母的安裝力矩確定為(320±20) N·m。