張景春,陳選楠,王維,趙悠悠,李正鑫

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

隨著我國(guó)交通、物流、基礎(chǔ)建設(shè)等產(chǎn)業(yè)及汽車(chē)“新四化”(電氣化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化、共享化)趨勢(shì)的不斷發(fā)展,對(duì)商用車(chē)性能提出了更高要求[1]。商用車(chē)用輪轂軸承單元作為商用車(chē)的核心及安保部件, 承載整車(chē)的重量并承受地面給車(chē)輪的徑向和橫向載荷,為車(chē)輛平穩(wěn)運(yùn)行提供保障,其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造精度、裝配精度等直接影響商用車(chē)的安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性及舒適性[2-3]。

目前,輪轂軸承單元的研究大多針對(duì)乘用車(chē),商用車(chē)用輪轂軸承單元的研究較少[4-5],且商用車(chē)惡劣的工作環(huán)境要求輪轂軸承單元具有長(zhǎng)壽命和高可靠性[6],故有必要對(duì)商用車(chē)用輪轂軸承單元進(jìn)行深入研究。本文針對(duì)商用車(chē)用輪轂軸承單元的應(yīng)用與發(fā)展進(jìn)行綜述,分別從輪轂軸承單元的結(jié)構(gòu)特征,軸承游隙對(duì)其壽命及摩擦力矩的影響,潤(rùn)滑劑的選擇,輪轂軸承單元的安裝等方面評(píng)述,最后展望商用車(chē)用輪轂軸承單元結(jié)構(gòu)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

1 商用車(chē)用輪轂軸承單元結(jié)構(gòu)類(lèi)型

商用車(chē)用輪轂軸承單元主要有3種典型的結(jié)構(gòu)類(lèi)型(圖1),分別為傳統(tǒng)輪轂軸承單元、脂潤(rùn)滑輪轂軸承單元、油潤(rùn)滑輪轂軸承單元,前2種采用脂潤(rùn)滑,第3種采用油潤(rùn)滑[7],后2種輪轂軸承單元可以統(tǒng)稱(chēng)為免維護(hù)輪轂軸承單元[8],3種結(jié)構(gòu)都屬于雙列圓錐滾子輪轂軸承單元,其顯著特征見(jiàn)表1。

表1 輪轂軸承單元結(jié)構(gòu)類(lèi)型及其顯著特征

(a) 傳統(tǒng)輪轂軸承單元 (b) 脂潤(rùn)滑輪轂軸承單元 (c) 油潤(rùn)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(wú)其他零件,軸承壓裝至輪轂軸承單元位置即可。裝配時(shí)先壓裝軸承外圈,軸承內(nèi)圈與滾子間注滿(mǎn)潤(rùn)滑脂,輪轂總成裝橋前輪轂內(nèi)腔填充適量潤(rùn)滑脂,裝橋時(shí)采用螺母“先緊后松”法調(diào)整游隙[9]。該輪轂軸承單元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制造成本低,可維護(hù)性強(qiáng),市場(chǎng)應(yīng)用時(shí)間最長(zhǎng),占商用車(chē)輪轂總成總量的80%左右,一定條件下還將繼續(xù)應(yīng)用;缺點(diǎn)是車(chē)輛運(yùn)行后需要定期拆卸輪端保養(yǎng)(清洗軸承,更換潤(rùn)滑脂),維護(hù)成本高,另外裝配時(shí)需要調(diào)整預(yù)緊力,對(duì)輪轂總成裝配工藝要求高。

(a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)爆炸示意圖 (b) 總成示意圖

1.2 脂潤(rùn)滑輪轂軸承單元

脂潤(rùn)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(guò)卡環(huán)連接在一起,整體為輪轂軸承單元。裝配時(shí)先壓裝內(nèi)、外軸承的外圈,滾子間注滿(mǎn)潤(rùn)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(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、零件加工精度控制,使軸承達(dá)到最佳壽命承載位置和預(yù)緊量,裝配時(shí)按規(guī)定力矩?cái)Q緊調(diào)整螺母即可,無(wú)需退回。該輪轂軸承單元屬于免維護(hù)輪轂軸承單元,車(chē)輛使用過(guò)程中不需要維護(hù),可實(shí)現(xiàn)50×104km以上的使用壽命;簡(jiǎn)化了輪轂安裝到車(chē)橋和從車(chē)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(diǎn)是加工精度高,制造成本高,主要應(yīng)用于高端商務(wù)客車(chē)。

(a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)爆炸示意圖 (b) 總成示意圖

1.3 油潤(rùn)滑輪轂軸承單元

油潤(rùn)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(kāi),未裝配在車(chē)橋上時(shí)需要固定器固定,否則軸承內(nèi)圈和隔套會(huì)脫落。裝配時(shí)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(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、 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(shí)按規(guī)定力矩?cái)Q緊調(diào)整螺母即可,無(wú)需退回。該輪轂軸承單元屬于少維護(hù)輪轂軸承單元,車(chē)輛使用過(guò)程中需要觀察油量和油的顏色,更換時(shí)無(wú)需拆卸輪端,僅通過(guò)放油塞放油再注新油即可,簡(jiǎn)化了輪轂安裝到車(chē)橋的工藝,輪轂軸承單元整體裝配,不需要調(diào)整游隙;缺點(diǎn)是加工精度及制造成本高,主要應(yīng)用于高端商務(wù)客車(chē)。

(a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(hù)里程較短,而免維護(hù)輪轂軸承單元維護(hù)里程較長(zhǎng),最長(zhǎng)可達(dá)100×104km;從采購(gòu)成本來(lái)看,同噸位的輪轂軸承單元,免維護(hù)輪轂軸承單元的價(jià)格是傳統(tǒng)輪轂軸承單元的2倍;從制造角度來(lái)看,傳統(tǒng)輪轂軸承單元主要由車(chē)橋廠自制組裝,技術(shù)難度不高,而免維護(hù)輪轂軸承單元主要依靠國(guó)外的生產(chǎn)制造技術(shù)。結(jié)合文獻(xiàn)[7-8]對(duì)輪轂軸承單元進(jìn)行多維度研究分析,3種輪轂軸承單元的各項(xiàng)性能對(duì)比見(jiàn)表2,表中★越多表示性能越好,在結(jié)構(gòu)允許的情況下,綜合考慮制造資源、空間結(jié)構(gòu)、密封性等具體問(wèn)題后選擇各項(xiàng)性能較高的輪轂軸承單元。

表2 3種輪轂軸承單元的各項(xiàng)性能對(duì)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(chē)設(shè)計(jì)水平匹配度高等綜合因素,還將繼續(xù)被廣大客戶(hù)接受。

脂潤(rùn)滑輪轂軸承單元、油潤(rùn)滑輪轂軸承單元為免維護(hù)輪轂軸承單元(單元化軸承),關(guān)鍵技術(shù)在于對(duì)輪轂軸承單元游隙的控制及密封件與潤(rùn)滑方式的選擇[10],但受限于單元化輪轂軸承制造水平,此類(lèi)軸承在國(guó)內(nèi)的普及程度不高。

2 軸承游隙對(duì)其壽命及摩擦力矩的影響

軸承游隙對(duì)其壽命至關(guān)重要,游隙大則受載滾子少,單個(gè)滾子承載應(yīng)力大,導(dǎo)致軸承過(guò)早疲勞失效,游隙大還會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛運(yùn)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(duì)其壽命及摩擦力矩的影響。

2.1 軸承游隙對(duì)壽命的影響

軸承工作游隙與壽命的關(guān)系曲線[12]如圖5所示：當(dāng)工作游隙為微負(fù)值時(shí),滾道存在輕微預(yù)緊,軸承壽命最長(zhǎng)。

圖5 軸承工作游隙與壽命的關(guān)系曲線

為使軸承在車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中獲得最佳工作游隙,考慮到軸承承載后的變形和運(yùn)行產(chǎn)生的高溫?zé)崤蛎泴?duì)軸承游隙的影響,裝配游隙一般接近于零或?yàn)槲⒄怠?/p>

以某驅(qū)動(dòng)橋?yàn)槔?經(jīng)過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)、路試和長(zhǎng)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?cái)Q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(zhǎng)。

2.2 軸承游隙對(duì)摩擦力矩的影響

技術(shù)要求中通常會(huì)增加軸承摩擦力矩(輪轂旋轉(zhuǎn)力矩)檢測(cè)項(xiàng)目,作為施加一定預(yù)緊載荷使軸承處于壽命較長(zhǎng)的微負(fù)游隙的判斷依據(jù),檢測(cè)方法簡(jiǎn)單,結(jié)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(yù)緊力F1成正比[13],即

(1)

輪轂旋轉(zhuǎn)力矩與軸向游隙的關(guān)系曲線[14]如圖6所示,可以通過(guò)檢測(cè)輪轂旋轉(zhuǎn)力距精確控制軸承游隙。以某驅(qū)動(dòng)橋?yàn)槔?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(guān)系曲線

2.3 軸承游隙的調(diào)整

直接測(cè)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(shí)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(guān)系曲線[14]如圖7所示,可以通過(guò)調(diào)整螺母的擰緊力矩精確控制軸承游隙。以某驅(qū)動(dòng)橋?yàn)槔?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(guān)系曲線

3 潤(rùn)滑劑的選擇

潤(rùn)滑劑的選擇對(duì)軸承壽命至關(guān)重要,潤(rùn)滑的主要作用有：潤(rùn)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(dòng)接觸面形成油膜,延長(zhǎng)軸承的疲勞壽命;軸承的防銹和防塵。輪轂軸承單元所用潤(rùn)滑劑主要有潤(rùn)滑脂和潤(rùn)滑油。

3.1 潤(rùn)滑脂的選擇

根據(jù)車(chē)輛使用工況選用合適的潤(rùn)滑脂,以確保軸承使用壽命最長(zhǎng)(表3)。

表3 軸承潤(rùn)滑脂的選擇

3.2 潤(rùn)滑油的選擇

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

3.3 潤(rùn)滑方式的比較

脂潤(rùn)滑與油潤(rùn)滑的比較見(jiàn)表4,表中★表示差,★★表示一般,★★★表示好,★★★★表示極好。

表4 脂潤(rùn)滑與油潤(rùn)滑的比較

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

4 輪轂軸承單元的安裝

4.1 軸承潤(rùn)滑劑填充到位

傳統(tǒng)輪轂軸承單元使用注脂機(jī)對(duì)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(mǎn)潤(rùn)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(rùn)滑輪轂軸承單元有透明視窗結(jié)構(gòu)的需加注潤(rùn)滑油至油位上下限之間(圖9),無(wú)透明視窗結(jié)構(gòu)的則需要定量加注潤(rùn)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(chē)運(yùn)行過(guò)程中受到載荷時(shí)軸承有往軸承座方向移動(dòng)的趨勢(shì),造成實(shí)際游隙遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于調(diào)整時(shí)的理想游隙,導(dǎo)致軸承快速燒死損壞。

建議采用壓裝機(jī)壓裝軸承,可以實(shí)時(shí)檢測(cè)壓力和行程,確保安裝到位,軸承壓裝機(jī)界面如圖10所示。軸承外圈安裝后用塞尺檢測(cè)并確認(rèn)軸承安裝到位。

圖10 軸承壓裝機(jī)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(shí)際游隙遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于調(diào)整時(shí)的游隙,導(dǎo)致軸承快速燒死損壞。對(duì)于油潤(rùn)滑輪轂軸承單元,油封座圈未安裝到位時(shí)不僅會(huì)使軸承游隙增大,還有漏油風(fēng)險(xiǎn),漏油后造成潤(rùn)滑不良,加劇軸承燒死損壞。

建議采用壓裝機(jī)壓裝油封座圈,可以實(shí)時(shí)檢測(cè)壓力和位移,確保安裝到位,油封座圈壓裝機(jī)界面如圖11所示。軸承外圈安裝后用塞尺檢測(cè)并確認(rèn)油封座圈安裝到位。

圖11 油封座圈壓裝機(jī)界面

4.4 調(diào)整螺母擰緊過(guò)程

產(chǎn)品的設(shè)計(jì)游隙通過(guò)調(diào)整螺母的擰緊過(guò)程實(shí)現(xiàn),因此擰緊過(guò)程至關(guān)重要。

由于輪轂軸承安裝之前滾子無(wú)約束,滾子之間非均勻排布,因此需要在擰緊調(diào)整螺母時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)輪轂,轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程就是使軸承滾子不斷修正位置擺正的過(guò)程,調(diào)整螺母擰緊后軸承的狀態(tài)就是其在整車(chē)運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)。如果擰緊過(guò)程不轉(zhuǎn)動(dòng)輪轂,會(huì)造成車(chē)輛行駛后軸承滾子歸位,導(dǎo)致實(shí)際游隙遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于調(diào)整時(shí)的理想游隙,軸承快速燒死損壞。

以某驅(qū)動(dòng)橋?yàn)槔?人工手動(dòng)擰緊調(diào)整螺母的過(guò)程為：以500～550 N·m的力矩?cái)Q緊調(diào)整螺母,確保軸承安裝到位,且擰緊過(guò)程中必須同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)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(cè)啟動(dòng)力,啟動(dòng)力應(yīng)為30～65 N。

建議采用擰緊機(jī)擰緊調(diào)整螺母,可以實(shí)時(shí)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(jī)界面如圖12所示。數(shù)據(jù)可以保存用于追溯和分析,同時(shí)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(dòng)強(qiáng)度大且裝配質(zhì)量不穩(wěn)定,受操作者作業(yè)過(guò)程影響大,無(wú)法定量保存數(shù)據(jù)。

圖12 擰緊機(jī)界面

4.5 輪端密封性

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

1)輪轂軸承單元裝配過(guò)程中磕碰油封,如暴力操作導(dǎo)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(guò)程中輪端沒(méi)有保持水平,油封傾斜并與油封座圈接觸。

3)對(duì)于傳統(tǒng)輪轂軸承單元結(jié)構(gòu),裝配過(guò)程中工裝導(dǎo)致輪轂外油封損壞或半軸裝配導(dǎo)致半軸油封損壞、失效,橋殼內(nèi)腔齒輪油進(jìn)入輪轂內(nèi)腔,造成軸承潤(rùn)滑不良。

4)脂潤(rùn)滑輪轂軸承單元裝配過(guò)程中O形圈脫落,導(dǎo)致水、污物進(jìn)入輪端。

5)油潤(rùn)滑輪轂軸承單元裝配過(guò)程中回退輪端甚至來(lái)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(dāng),導(dǎo)致輪端密封性失效。

建議裝配過(guò)程中時(shí)刻注意細(xì)節(jié),裝配完成后,目視檢測(cè)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(rùn)滑脂或潤(rùn)滑油,防止軸承生銹腐蝕和降低壽命,同時(shí)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(yán)禁暴力裝配

軸承是高精度零件,暴力、野蠻裝配及強(qiáng)力敲擊會(huì)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(shè)計(jì)時(shí)要提出精準(zhǔn)的要求,生產(chǎn)中嚴(yán)格按照控制要求操作。

5 輪轂軸承單元結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)

輪轂軸承單元的結(jié)構(gòu)選擇主要取決于整車(chē)產(chǎn)品的定位。目前,國(guó)內(nèi)商用車(chē)用輪轂軸承單元主要采用傳統(tǒng)輪轂軸承單元,是整車(chē)設(shè)計(jì)綜合平衡的選擇結(jié)果。隨著高端商用車(chē)市場(chǎng)的需求增加,整車(chē)性能要求不斷提高,輪轂軸承單元的性能也要相應(yīng)提高,從結(jié)構(gòu)和性能來(lái)看,單元化軸承因高效傳動(dòng)、免維護(hù)、長(zhǎng)壽命等特征而具有明顯優(yōu)勢(shì)。

單元化是商用車(chē)用輪轂軸承單元結(jié)構(gòu)未來(lái)發(fā)展的主要趨勢(shì),目前主要受限于國(guó)內(nèi)的單元化輪轂軸承制造水平,可靠性高的生產(chǎn)技術(shù)主要依靠國(guó)外,成本較高;國(guó)內(nèi)的技術(shù)不成熟導(dǎo)致故障率高,一旦失效需要更換整個(gè)輪轂軸承單元總成,大大增加了運(yùn)營(yíng)成本和維護(hù)成本,影響車(chē)輛使用和用戶(hù)體驗(yàn)。保守起見(jiàn),整車(chē)匹配設(shè)計(jì)、車(chē)橋技術(shù)設(shè)計(jì)中對(duì)于高端商用車(chē)使用可靠性高的免維護(hù)輪轂軸承單元,普通商用車(chē)沿用定期維護(hù)、質(zhì)量可控的傳統(tǒng)輪轂軸承單元。

6 結(jié)論

1)商用車(chē)用輪轂軸承單元的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)性決定了3種輪轂軸承單元的應(yīng)用范圍,傳統(tǒng)輪轂軸承單元應(yīng)用于普通商用車(chē),單元化輪轂軸承應(yīng)用于高端商用車(chē)。

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

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

4)單元化是未來(lái)商用車(chē)用輪轂軸承單元結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)。