張景春,陳選楠,王維,趙悠悠,李正鑫

(東風德納車橋有限公司 a.制造工程部;b.產(chǎn)品研發(fā)中心,湖北 襄陽 441057;c.武漢技術分公司,武漢 430058)

隨著我國交通、物流、基礎建設等產(chǎn)業(yè)及汽車“新四化”(電氣化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化、共享化)趨勢的不斷發(fā)展,對商用車性能提出了更高要求[1]。商用車用輪轂軸承單元作為商用車的核心及安保部件, 承載整車的重量并承受地面給車輪的徑向和橫向載荷,為車輛平穩(wěn)運行提供保障,其結構設計、制造精度、裝配精度等直接影響商用車的安全性、可靠性、經(jīng)濟性及舒適性[2-3]。

目前,輪轂軸承單元的研究大多針對乘用車,商用車用輪轂軸承單元的研究較少[4-5],且商用車惡劣的工作環(huán)境要求輪轂軸承單元具有長壽命和高可靠性[6],故有必要對商用車用輪轂軸承單元進行深入研究。本文針對商用車用輪轂軸承單元的應用與發(fā)展進行綜述,分別從輪轂軸承單元的結構特征,軸承游隙對其壽命及摩擦力矩的影響,潤滑劑的選擇,輪轂軸承單元的安裝等方面評述,最后展望商用車用輪轂軸承單元結構的未來發(fā)展趨勢。

1 商用車用輪轂軸承單元結構類型

商用車用輪轂軸承單元主要有3種典型的結構類型(圖1),分別為傳統(tǒng)輪轂軸承單元、脂潤滑輪轂軸承單元、油潤滑輪轂軸承單元,前2種采用脂潤滑,第3種采用油潤滑[7],后2種輪轂軸承單元可以統(tǒng)稱為免維護輪轂軸承單元[8],3種結構都屬于雙列圓錐滾子輪轂軸承單元,其顯著特征見表1。

表1 輪轂軸承單元結構類型及其顯著特征

(a) 傳統(tǒng)輪轂軸承單元 (b) 脂潤滑輪轂軸承單元 (c) 油潤滑輪轂軸承單元

1.1 傳統(tǒng)輪轂軸承單元

傳統(tǒng)輪轂軸承單元示意圖如圖2所示,輪轂內(nèi)、外軸承之間無其他零件,軸承壓裝至輪轂軸承單元位置即可。裝配時先壓裝軸承外圈,軸承內(nèi)圈與滾子間注滿潤滑脂,輪轂總成裝橋前輪轂內(nèi)腔填充適量潤滑脂,裝橋時采用螺母“先緊后松”法調(diào)整游隙[9]。該輪轂軸承單元結構簡單,制造成本低,可維護性強,市場應用時間最長,占商用車輪轂總成總量的80%左右,一定條件下還將繼續(xù)應用;缺點是車輛運行后需要定期拆卸輪端保養(yǎng)(清洗軸承,更換潤滑脂),維護成本高,另外裝配時需要調(diào)整預緊力,對輪轂總成裝配工藝要求高。

(a) 內(nèi)部結構爆炸示意圖 (b) 總成示意圖

1.2 脂潤滑輪轂軸承單元

脂潤滑輪轂軸承單元示意圖如圖3所示,內(nèi)、外軸承的內(nèi)圈通過卡環(huán)連接在一起,整體為輪轂軸承單元。裝配時先壓裝內(nèi)、外軸承的外圈,滾子間注滿潤滑脂后安裝軸承內(nèi)圈,最后安裝中間的卡環(huán),卡住2套軸承的內(nèi)圈。游隙通過系統(tǒng)設計、零件加工精度控制,使軸承達到最佳壽命承載位置和預緊量,裝配時按規(guī)定力矩擰緊調(diào)整螺母即可,無需退回。該輪轂軸承單元屬于免維護輪轂軸承單元,車輛使用過程中不需要維護,可實現(xiàn)50×104km以上的使用壽命;簡化了輪轂安裝到車橋和從車橋拆卸的工藝,輪轂軸承單元整體裝配,不需要調(diào)整游隙;缺點是加工精度高,制造成本高,主要應用于高端商務客車。

(a) 內(nèi)部結構爆炸示意圖 (b) 總成示意圖

1.3 油潤滑輪轂軸承單元

油潤滑輪轂軸承單元示意圖如圖4所示,內(nèi)、外軸承的內(nèi)圈之間有隔套分開,未裝配在車橋上時需要固定器固定,否則軸承內(nèi)圈和隔套會脫落。裝配時先壓裝內(nèi)、外軸承的外圈,輪轂內(nèi)腔放入隔套,再安裝軸承內(nèi)圈,最后用固定器固定軸承內(nèi)圈和隔套。游隙通過系統(tǒng)設計、 零件加工精度、 隔套保證控制, 隔套可以調(diào)整內(nèi)、外軸承的游隙,使內(nèi)、外軸承處于良好的工作狀態(tài),裝配時按規(guī)定力矩擰緊調(diào)整螺母即可,無需退回。該輪轂軸承單元屬于少維護輪轂軸承單元,車輛使用過程中需要觀察油量和油的顏色,更換時無需拆卸輪端,僅通過放油塞放油再注新油即可,簡化了輪轂安裝到車橋的工藝,輪轂軸承單元整體裝配,不需要調(diào)整游隙;缺點是加工精度及制造成本高,主要應用于高端商務客車。

(a) 內(nèi)部結構爆炸示意圖 (b) 總成示意圖

1.4 3種輪轂軸承單元的比較

傳統(tǒng)輪轂軸承單元維護里程較短,而免維護輪轂軸承單元維護里程較長,最長可達100×104km;從采購成本來看,同噸位的輪轂軸承單元,免維護輪轂軸承單元的價格是傳統(tǒng)輪轂軸承單元的2倍;從制造角度來看,傳統(tǒng)輪轂軸承單元主要由車橋廠自制組裝,技術難度不高,而免維護輪轂軸承單元主要依靠國外的生產(chǎn)制造技術。結合文獻[7-8]對輪轂軸承單元進行多維度研究分析,3種輪轂軸承單元的各項性能對比見表2,表中★越多表示性能越好,在結構允許的情況下,綜合考慮制造資源、空間結構、密封性等具體問題后選擇各項性能較高的輪轂軸承單元。

表2 3種輪轂軸承單元的各項性能對比

傳統(tǒng)輪轂軸承單元因其制造工藝成熟,產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠,與整車設計水平匹配度高等綜合因素,還將繼續(xù)被廣大客戶接受。

脂潤滑輪轂軸承單元、油潤滑輪轂軸承單元為免維護輪轂軸承單元(單元化軸承),關鍵技術在于對輪轂軸承單元游隙的控制及密封件與潤滑方式的選擇[10],但受限于單元化輪轂軸承制造水平,此類軸承在國內(nèi)的普及程度不高。

2 軸承游隙對其壽命及摩擦力矩的影響

軸承游隙對其壽命至關重要,游隙大則受載滾子少,單個滾子承載應力大,導致軸承過早疲勞失效,游隙大還會導致車輛運行不平穩(wěn);游隙小則摩擦阻力大,輪轂異常發(fā)熱,滑行能力降低,軸承易于磨損[11]。因此,本節(jié)將研究軸承游隙對其壽命及摩擦力矩的影響。

2.1 軸承游隙對壽命的影響

軸承工作游隙與壽命的關系曲線[12]如圖5所示：當工作游隙為微負值時,滾道存在輕微預緊,軸承壽命最長。

圖5 軸承工作游隙與壽命的關系曲線

為使軸承在車輛運行過程中獲得最佳工作游隙,考慮到軸承承載后的變形和運行產(chǎn)生的高溫熱膨脹對軸承游隙的影響,裝配游隙一般接近于零或為微正值。

以某驅(qū)動橋為例,經(jīng)過臺架試驗、路試和長期質(zhì)量跟蹤確定了裝配要求及最佳裝配游隙：調(diào)整螺母以180 N·m的力矩擰緊后回退1/6～1/4圈,獲得的裝配軸向游隙δ為0.025～0.127 mm,該游隙可以確保軸承壽命最長。

2.2 軸承游隙對摩擦力矩的影響

技術要求中通常會增加軸承摩擦力矩(輪轂旋轉(zhuǎn)力矩)檢測項目,作為施加一定預緊載荷使軸承處于壽命較長的微負游隙的判斷依據(jù),檢測方法簡單,結果直觀,該參數(shù)一定程度上反映了軸承游隙的大小,一般為2～10 N·m。軸承摩擦力矩M與軸承軸向預緊力F1成正比[13],即

(1)

輪轂旋轉(zhuǎn)力矩與軸向游隙的關系曲線[14]如圖6所示,可以通過檢測輪轂旋轉(zhuǎn)力距精確控制軸承游隙。以某驅(qū)動橋為例,為控制軸承游隙,要求裝配后輪轂旋轉(zhuǎn)力矩為2.4～3.0 N·m。

圖6 輪轂旋轉(zhuǎn)力矩與軸向游隙的關系曲線

2.3 軸承游隙的調(diào)整

直接測量輪轂軸承單元游隙比較困難,通常采用調(diào)整螺母擰緊的程度實現(xiàn)軸承游隙的調(diào)整,調(diào)整螺母在擰緊力矩T的作用下產(chǎn)生軸向力F0,即

T=knF0d0,

(2)

式中：kn為擰緊力矩系數(shù)。

調(diào)整螺母擰緊力矩與軸承軸向游隙的關系曲線[14]如圖7所示,可以通過調(diào)整螺母的擰緊力矩精確控制軸承游隙。以某驅(qū)動橋為例,為控制軸承游隙,要求調(diào)整螺母擰緊力矩為50～60 N·m。

圖7 螺母擰緊力矩與軸承軸向游隙的關系曲線

3 潤滑劑的選擇

潤滑劑的選擇對軸承壽命至關重要,潤滑的主要作用有：潤滑軸承各部位,減少摩擦和磨損;帶走軸承產(chǎn)生的熱量;使?jié)L動接觸面形成油膜,延長軸承的疲勞壽命;軸承的防銹和防塵。輪轂軸承單元所用潤滑劑主要有潤滑脂和潤滑油。

3.1 潤滑脂的選擇

根據(jù)車輛使用工況選用合適的潤滑脂,以確保軸承使用壽命最長(表3)。

表3 軸承潤滑脂的選擇

3.2 潤滑油的選擇

油品的選擇必須與橋殼內(nèi)腔潤滑減速器總成的油品一致,常用的潤滑油型號有GL-5 75W-80,GL-5 85W-90。

3.3 潤滑方式的比較

脂潤滑與油潤滑的比較見表4,表中★表示差,★★表示一般,★★★表示好,★★★★表示極好。

表4 脂潤滑與油潤滑的比較

潤滑脂對密封性要求低且其流動性差,在密封失效的情況下短期不至于對軸承造成重大損傷,在實際應用中可靠性高,使用潤滑脂的傳統(tǒng)輪轂軸承單元經(jīng)濟性好,因此傳統(tǒng)輪轂軸承單元還將繼續(xù)被廣泛應用。

4 輪轂軸承單元的安裝

4.1 軸承潤滑劑填充到位

傳統(tǒng)輪轂軸承單元使用注脂機對輪轂內(nèi)腔及軸承內(nèi)圈注脂,確保軸承滾子間及端面充滿潤滑脂,如圖8所示。

(a) 輪轂內(nèi)腔注脂 (b) 軸承內(nèi)圈注脂

油潤滑輪轂軸承單元有透明視窗結構的需加注潤滑油至油位上下限之間(圖9),無透明視窗結構的則需要定量加注潤滑油。

圖9 透明視窗油位示意圖

4.2 確保軸承安裝到位

傳統(tǒng)輪轂軸承單元如果未安裝到位,整車運行過程中受到載荷時軸承有往軸承座方向移動的趨勢,造成實際游隙遠遠大于調(diào)整時的理想游隙,導致軸承快速燒死損壞。

建議采用壓裝機壓裝軸承,可以實時檢測壓力和行程,確保安裝到位,軸承壓裝機界面如圖10所示。軸承外圈安裝后用塞尺檢測并確認軸承安裝到位。

圖10 軸承壓裝機界面

4.3 確保油封座圈安裝到位

油封座圈緊挨軸承內(nèi)圈,傳統(tǒng)輪轂軸承單元油封座圈未安裝到位造成軸承損壞的原理同軸承未安裝到位的原理一樣,實際游隙遠遠大于調(diào)整時的游隙,導致軸承快速燒死損壞。對于油潤滑輪轂軸承單元,油封座圈未安裝到位時不僅會使軸承游隙增大,還有漏油風險,漏油后造成潤滑不良,加劇軸承燒死損壞。

建議采用壓裝機壓裝油封座圈,可以實時檢測壓力和位移,確保安裝到位,油封座圈壓裝機界面如圖11所示。軸承外圈安裝后用塞尺檢測并確認油封座圈安裝到位。

圖11 油封座圈壓裝機界面

4.4 調(diào)整螺母擰緊過程

產(chǎn)品的設計游隙通過調(diào)整螺母的擰緊過程實現(xiàn),因此擰緊過程至關重要。

由于輪轂軸承安裝之前滾子無約束,滾子之間非均勻排布,因此需要在擰緊調(diào)整螺母時轉(zhuǎn)動輪轂,轉(zhuǎn)動的過程就是使軸承滾子不斷修正位置擺正的過程,調(diào)整螺母擰緊后軸承的狀態(tài)就是其在整車運行時的狀態(tài)。如果擰緊過程不轉(zhuǎn)動輪轂,會造成車輛行駛后軸承滾子歸位,導致實際游隙遠遠大于調(diào)整時的理想游隙,軸承快速燒死損壞。

以某驅(qū)動橋為例,人工手動擰緊調(diào)整螺母的過程為：以500～550 N·m的力矩擰緊調(diào)整螺母,確保軸承安裝到位,且擰緊過程中必須同時轉(zhuǎn)動輪轂總成2～3圈,擰緊后再將調(diào)整螺母回退1/6～1/4圈,然后用彈簧秤在輪轂螺栓上測啟動力,啟動力應為30～65 N。

建議采用擰緊機擰緊調(diào)整螺母,可以實時監(jiān)控調(diào)整螺母的擰緊力矩、回退角度、軸承摩擦力矩等參數(shù),擰緊機界面如圖12所示。數(shù)據(jù)可以保存用于追溯和分析,同時可以保證調(diào)整螺母安裝的一致性、穩(wěn)定性;而人工擰緊不僅勞動強度大且裝配質(zhì)量不穩(wěn)定,受操作者作業(yè)過程影響大,無法定量保存數(shù)據(jù)。

圖12 擰緊機界面

4.5 輪端密封性

不當?shù)难b配會影響輪端的密封性,密封不良導致外界污物進入輪轂內(nèi)腔并使內(nèi)腔中潤滑劑往外滲漏,造成軸承潤滑不良、損壞,影響軸承壽命。影響輪端密封性的不當裝配主要有以下幾種：

1)輪轂軸承單元裝配過程中磕碰油封,如暴力操作導致油封磕碰到工位器具、軸管、轉(zhuǎn)向節(jié)。

2)輪轂軸承單元裝配過程中輪端沒有保持水平,油封傾斜并與油封座圈接觸。

3)對于傳統(tǒng)輪轂軸承單元結構,裝配過程中工裝導致輪轂外油封損壞或半軸裝配導致半軸油封損壞、失效,橋殼內(nèi)腔齒輪油進入輪轂內(nèi)腔,造成軸承潤滑不良。

4)脂潤滑輪轂軸承單元裝配過程中O形圈脫落,導致水、污物進入輪端。

5)油潤滑輪轂軸承單元裝配過程中回退輪端甚至來回推拉輪端,造成油封損壞。

6)后橋半軸涂膠或前橋輪端端蓋涂膠不當,導致輪端密封性失效。

建議裝配過程中時刻注意細節(jié),裝配完成后,目視檢測油封的狀態(tài)。

4.6 防銹措施

輪轂軸承單元裝配前,油封座圈、軸承安裝位、軸頭螺紋都需要涂抹潤滑脂或潤滑油,防止軸承生銹腐蝕和降低壽命,同時也是為了便于安裝,軸頭螺紋涂油可以穩(wěn)定擰緊力矩系數(shù)kn,避免假力矩。

4.7 嚴禁暴力裝配

軸承是高精度零件,暴力、野蠻裝配及強力敲擊會使軸承滾道、滾子、保持架產(chǎn)生壓痕、劃痕、變形等缺陷[15],造成軸承0 km不良,因此裝配工藝設計時要提出精準的要求,生產(chǎn)中嚴格按照控制要求操作。

5 輪轂軸承單元結構的發(fā)展趨勢

輪轂軸承單元的結構選擇主要取決于整車產(chǎn)品的定位。目前,國內(nèi)商用車用輪轂軸承單元主要采用傳統(tǒng)輪轂軸承單元,是整車設計綜合平衡的選擇結果。隨著高端商用車市場的需求增加,整車性能要求不斷提高,輪轂軸承單元的性能也要相應提高,從結構和性能來看,單元化軸承因高效傳動、免維護、長壽命等特征而具有明顯優(yōu)勢。

單元化是商用車用輪轂軸承單元結構未來發(fā)展的主要趨勢,目前主要受限于國內(nèi)的單元化輪轂軸承制造水平,可靠性高的生產(chǎn)技術主要依靠國外,成本較高;國內(nèi)的技術不成熟導致故障率高,一旦失效需要更換整個輪轂軸承單元總成,大大增加了運營成本和維護成本,影響車輛使用和用戶體驗。保守起見,整車匹配設計、車橋技術設計中對于高端商用車使用可靠性高的免維護輪轂軸承單元,普通商用車沿用定期維護、質(zhì)量可控的傳統(tǒng)輪轂軸承單元。

6 結論

1)商用車用輪轂軸承單元的結構特點及經(jīng)濟性決定了3種輪轂軸承單元的應用范圍,傳統(tǒng)輪轂軸承單元應用于普通商用車,單元化輪轂軸承應用于高端商用車。

2)可以通過摩擦力矩和調(diào)整螺母擰緊力矩間接檢測軸承游隙,確保軸承壽命最長。

3)裝配制造中建議使用壓裝機壓裝軸承,油封座圈,使用擰緊機擰緊調(diào)整螺母,減少裝配工藝對輪轂軸承單元壽命的影響。

4)單元化是未來商用車用輪轂軸承單元結構的發(fā)展趨勢。