葉凱鋒

（浙江豐波機(jī)電科技有限公司 浙江杭州 311221）

汽車(chē)的核心功能部件之一就是輪轂軸承，它的運(yùn)行狀態(tài)直接決定了整車(chē)的安全性、舒適性和可靠性［1-2］?，F(xiàn)在，全球范圍內(nèi)在市場(chǎng)上出售或正在使用的轎車(chē)基本都是利用的第三代輪轂軸承，對(duì)比一代和二代，第三代具備非常高的集成度，能夠更好地幫助汽車(chē)實(shí)現(xiàn)輕量化，高的集成度不僅有效緩解了滾動(dòng)軸承在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生的打滑現(xiàn)象，汽車(chē)的安全性也得到了一定的保證。一般來(lái)說(shuō)，有預(yù)緊會(huì)在結(jié)束第三代輪轂軸承安裝之后來(lái)施加，形成負(fù)游隙。相關(guān)研究［2］中，非線性彈簧質(zhì)量系統(tǒng)與輪轂軸承相等，并且經(jīng)過(guò)測(cè)量軸承觸點(diǎn)的固有頻率側(cè)面地，獲得軸承的負(fù)間隙。有研究［3］首創(chuàng)了一種由多體力學(xué)為根本的光線追蹤算法，該算法使用輪轂軸承單元的內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)情況來(lái)說(shuō)明負(fù)游隙。也有研究［4］提出一種用建立軸承預(yù)壓與負(fù)間隙之間的關(guān)系并測(cè)量軸承預(yù)壓來(lái)計(jì)算軸承負(fù)游隙的方式。還有研究［5-8］根據(jù)完成鋼球接觸副和輪轂軸承外圈對(duì)超聲頻率回饋信號(hào)的檢查，以此來(lái)初步預(yù)算軸承預(yù)緊力?；谏鲜鲅芯?，根據(jù)赫茲接觸理論，構(gòu)建赫茲彈性變量與負(fù)游隙差的相關(guān)關(guān)系［9-14］。測(cè)量負(fù)游隙能夠變成測(cè)量彈性變化的差。本文提出了一種測(cè)量輪轂軸承負(fù)游隙快速和的方法。

1 輪轂軸承游隙分析相關(guān)理論基礎(chǔ)

1.1 基本理論

如圖1所示，構(gòu)成深溝球軸承的主要部分含有內(nèi)外圈、保持架等。游隙意味著軸承與滾動(dòng)元件的內(nèi)側(cè)和外側(cè)環(huán)之間的間隙。而軸承距離含有徑向軸承距離及軸向軸承距離，其大小除了會(huì)對(duì)裝配的旋轉(zhuǎn)精度造成影響之外，也會(huì)使軸承的疲勞壽命、性能受損。

圖1 軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)

當(dāng)前，我國(guó)大多利用德?tīng)柛５姆椒▉?lái)進(jìn)行軸承游隙的測(cè)試，如圖2所示，根據(jù)不斷的加壓，造成軸承外側(cè)列的負(fù)游隙變大，若內(nèi)側(cè)列的負(fù)游隙過(guò)小，并到達(dá)規(guī)定的力（如10N·m）能夠完成鋼球的撥動(dòng)的時(shí)候，進(jìn)行這時(shí)壓力值的讀取，從而通過(guò)Fa進(jìn)行軸承游隙的計(jì)算。

1.2 游隙的分類(lèi)

1.2.1 徑向游隙

不是預(yù)載情況，軸承承受徑向載荷。徑向游隙G是外輪相對(duì)于內(nèi)環(huán)的直徑方向上位置偏差的算術(shù)平均值，其從徑向的偏心極限位置到任意徑向的逆極限位置。

1.2.2 軸向游隙

不是預(yù)載情況，軸向內(nèi)部游隙G是如果沒(méi)有外部載荷，從一個(gè)軸向邊界位置移動(dòng)到另一個(gè)鋼軌相對(duì)邊界的方位，計(jì)算出套圈軸向距離的平均值。除此之外，因?yàn)檩S承不同情況下會(huì)有些出入，所以游隙值也會(huì)存在區(qū)別，具體能夠分成原始距離、有效距離、安裝距離。

2 軸承游隙測(cè)量方法

2.1 測(cè)量方法現(xiàn)狀

當(dāng)前，我國(guó)的輪轂軸承單元游隙檢測(cè)手段和儀器還完全比不上那些國(guó)外的大型制造商，整個(gè)完成軸承生產(chǎn)的階段中，涉及使用到的測(cè)試儀器在200種以上，且這當(dāng)中主要的檢測(cè)設(shè)備都是比較機(jī)械式的，只有部分設(shè)備是比較現(xiàn)代化。

由于當(dāng)前隨著技術(shù)的更新不斷提高，人們對(duì)軸承游隙也有了更高的要求，游隙的值逐漸變成評(píng)判軸承質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。

2.2 測(cè)量方法分類(lèi)

2.2.1 手動(dòng)測(cè)量法

由于當(dāng)代技術(shù)的不斷飛躍及進(jìn)步，可以發(fā)現(xiàn)有越來(lái)越多簡(jiǎn)易的設(shè)備就可以完成軸承游隙的實(shí)際測(cè)量，如千分表，即圖3。

圖3 千分表

2.2.2 儀器測(cè)量法

當(dāng)前，我國(guó)軸承生產(chǎn)商的組裝線使用了軸承游隙測(cè)量?jī)x，如圖4所示，不過(guò)該裝置為半自動(dòng)裝置，還需要在檢測(cè)過(guò)程中有具體的操作人員從中協(xié)助，不能保證足夠的測(cè)量精度，效率上對(duì)比起來(lái)也并不算高。

圖4 半自動(dòng)化游隙檢測(cè)

2.2.3 全自動(dòng)測(cè)量的檢測(cè)法

如圖5所示，筆者實(shí)地研究了車(chē)輪軸承距離檢測(cè)裝置。組裝線整體采用傳送帶、負(fù)載、卸載用機(jī)器人、通過(guò)自動(dòng)檢測(cè)、分析裝置傳送的全自動(dòng)裝置，與傳統(tǒng)方法相比，該方法大大提高了檢測(cè)率和軸承清晰度。

圖5 全自動(dòng)化游隙檢測(cè)

基于與彈性變形差（C1、C2）的對(duì)應(yīng)關(guān)系，計(jì)算負(fù)間隙的理論δ中確定的負(fù)間隙的測(cè)量被轉(zhuǎn)換為彈性變形差的測(cè)量。圖6顯示出了軸承負(fù)間隙的彈性形變測(cè)量，具體步驟如下。

圖6 測(cè)量剛性方法示意圖

（1）監(jiān)測(cè)剛性位移的偏量，可以準(zhǔn)備一套沒(méi)有上列鋼球的樣品，將其外圈固定，傳感器與其內(nèi)圈端面相連接。

（2）在F1上增大軸向線性載荷，使法蘭盤(pán)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)并將軸向偏差記錄為C01；再減小軸向線性載荷到F2，轉(zhuǎn)到法蘭盤(pán)并記錄軸向偏差為C02；（C01-C02）就是零游隙產(chǎn)品的彈性形變量，記錄C1，就是此產(chǎn)品形變量的最大狀態(tài)。

（3）其他產(chǎn)品的彈性形變量C2可以用其他的負(fù)游隙樣品來(lái)替換檢測(cè)件，重復(fù)上述操作即可。

（4）獲得彈性形變量偏差（C1-C2）后，輪轂軸承的負(fù)游隙可以通過(guò)負(fù)游隙和彈性形變偏差之間的相對(duì)關(guān)系獲得。

3 軸承游隙計(jì)算過(guò)程

軸承使用時(shí)，鋼球的接觸角變化不大，但應(yīng)用在實(shí)際情況時(shí)，接觸角的變化所引發(fā)的偏差不大于3%。為了簡(jiǎn)化中期分析過(guò)程，本文不考慮在加載期間改變接觸角。

3.1 測(cè)定軸承單體的游隙

完成軸承單體的游隙測(cè)定，首先找一個(gè)平臺(tái)，在上面將軸承立置，將軸承外圈用手壓住，內(nèi)外圈注意保持不能傾斜，將內(nèi)圈左右轉(zhuǎn)動(dòng)0.5~1圈，穩(wěn)定滾子。而后，分別取出左右列的一個(gè)滾子置于正上位。對(duì)內(nèi)部游隙一般用塞尺測(cè)量，測(cè)量點(diǎn)和測(cè)量位置根據(jù)軸承外徑大小有些不同。對(duì)外圈外徑在200mm以上的軸承游隙測(cè)定。

在軸承正上面的外圈子與兩列滾子之間插入塞尺，在相對(duì)軸承中心左右對(duì)稱(chēng)位置的內(nèi)圈與兩列滾子之間也插入塞尺，將各軸承內(nèi)部游隙測(cè)出。

把在軸承正上面兩列滾子與外圈之間測(cè)定的軸承內(nèi)部游隙分別設(shè)r1、r2，設(shè)軸承正上面的內(nèi)部游隙為RT，設(shè)軸承內(nèi)部游隙為R。

RT= 1/2(r2+r1)

把在左側(cè)的軸承內(nèi)部游隙設(shè)RL，把外圈與相對(duì)軸承中心左右對(duì)稱(chēng)位置的兩列滾子之間測(cè)定的軸承內(nèi)部游隙和外圈與在左側(cè)的兩列滾子之間的游隙分設(shè)為rL1、rL2。

RL= 1/2(rL2+rL1)

把右側(cè)的軸承內(nèi)部游隙設(shè)定rR，把外圈與在右側(cè)的2列滾子之間定的游隙分別設(shè)為rR1、rR2。

rR= 1/2(rR2+rR1)

軸承內(nèi)部游隙可以用下方式求出：

R= 1/2(RL+RT+rR)

3.2 測(cè)定軸承裝在緊定套或軸上的游隙

對(duì)軸承的外圈價(jià)于滾子呈下垂?fàn)顟B(tài)時(shí)的游隙進(jìn)行測(cè)定。左右轉(zhuǎn)動(dòng)軸承外圈0.5~1圈的同時(shí)，保證軸承的正直姿態(tài)，保證兩列滾子列都有一個(gè)滾子呈正下方的位置。將游隙用塞尺測(cè)定，根據(jù)軸承外圈外徑大小不同測(cè)定部位也有些不同。

對(duì)外圈外徑在200mm以上的軸承游隙測(cè)定。

在軸承正上面的外圈子與兩列滾子之間插入塞尺，在相對(duì)軸承中心左右對(duì)稱(chēng)位置的內(nèi)圈與兩列滾子之間也插入塞尺，將各軸承內(nèi)部游隙測(cè)出。R為軸承內(nèi)部游隙，把軸承外圈與正下面的兩列滾子之間測(cè)定軸承的內(nèi)部游隙分別設(shè)為rS1、rS2，設(shè)軸承正上面的內(nèi)部游隙為rS。

rS= 1/2(rS2+rS1)

設(shè)左側(cè)的軸承內(nèi)部游隙為rL。把外圈與相對(duì)軸承中心左右對(duì)稱(chēng)位置的兩列滾子之間測(cè)定的軸承內(nèi)部游隙和外圈與在左側(cè)的兩列滾子之間測(cè)定的游隙，分別設(shè)定為rL1、rL2：

rL= 1/2(rL2+rL1)

把外圈與右側(cè)的兩列滾子之間測(cè)定的游隙分別設(shè)定為R1、R2，設(shè)右側(cè)的軸承內(nèi)部游隙為rR：

rR= 1/2(R2+R1)

軸承內(nèi)部游隙可以用下方式求出：

R= 1/2(rL+rS+rR)

3.3 測(cè)定要點(diǎn)

測(cè)量?jī)x器與被測(cè)部件的溫度在軸承內(nèi)部游隙及軸承尺寸等的測(cè)定中必須一致。加熱油槽使用，對(duì)軸承用去感應(yīng)加熱器加熱安裝，對(duì)其內(nèi)部游隙進(jìn)行測(cè)定，必須等到加熱完全冷卻后才能進(jìn)行。例如，從保管倉(cāng)庫(kù)將軸承搬運(yùn)到測(cè)定場(chǎng)所，軸承可能有較高的溫度，若在這時(shí)就對(duì)軸承進(jìn)行游隙尺寸的測(cè)定，而不確認(rèn)它的溫度，很有可能就造成測(cè)定結(jié)果錯(cuò)誤。在對(duì)外圈外徑大于400mm的大型軸承的游隙或尺寸進(jìn)行測(cè)定時(shí)，可以將軸承的包裝拆開(kāi)，放置于平臺(tái)上一晝夜，這樣就可以使其測(cè)定時(shí)的溫度與周?chē)h(huán)境的溫度達(dá)到一致。

4 最新一代輪轂軸承游隙檢測(cè)算例

為了能夠更加明顯地表示這種方法在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)的使用情況，對(duì)最新的第三代輪轂軸承進(jìn)行分析，輪轂軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。施加的兩次負(fù)載A2、A1分別為2kN和20kN（可以選擇任意負(fù)載值，不過(guò)為了更好地區(qū)分兩個(gè)負(fù)載過(guò)程中的軸承軸位移的測(cè)量值的差，需要兩個(gè)負(fù)載力的差5倍以上）。然后，當(dāng)計(jì)算負(fù)間隙值時(shí)，圖7示出了彈性形變偏差（C1＝C2）之間的聯(lián)系。只要軸承的彈性變形（C1、C2）與該模型的任一個(gè)軸承的差被測(cè)量。

表1 某型號(hào)輪轂軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖7 輪轂軸承的負(fù)游隙和彈性形變偏差之間的關(guān)系

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文提出了一種基于赫茲接觸理論的剛體測(cè)量方法，從而改善當(dāng)前不能直接測(cè)量第三代輪轂軸承負(fù)游隙問(wèn)題。通過(guò)引入零間隙樣品，創(chuàng)建輪轂軸承單元負(fù)游隙和彈性形變偏差的相關(guān)關(guān)系，把負(fù)間隙的檢測(cè)轉(zhuǎn)變?yōu)闄z測(cè)軸承彈性形變偏差。采用此法，在產(chǎn)品離開(kāi)工廠之前輪轂軸承的制造商就可以檢測(cè)出負(fù)間隙，并且可以保證所提供的輪轂軸承的負(fù)間隙處于良好狀態(tài)有助于改善供應(yīng)的軸承的使用年限。