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一代轮毂轴承游隙对轴承寿命的影响

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于辉 苗仲亮 赵小威

(天津博信汽车零部件有限公司)

  摘 要:一代轮毂轴承总成售后市场失效模式主要表现为外圈沟道点状剥落,沟道清洁度不良、游隙设计不良、材质不佳及进水失效等均能造成轴承沟道点状剥落问题产生。本文重点研究轴承游隙设计与轴承外圈点状剥落之间关系。

  关键词:一代轮毂轴承总成;预紧力;负游隙;力矩

  轿车所使用一代轮毂轴承采用双列角接触轴承结构,其工作环境要求钢球在一定的压力下运转,即轴承装配整车后应始终保持在负游隙状态。一代轮毂轴承主机厂装配传动轴进行动力传输,需使用锁紧螺母进行连接,锁紧螺母所带来的夹紧力会对轴承预紧使其形成负游隙,锁紧螺母拧紧过程通常通过扭矩法控制。

  1 失效模式

  对某车型一代前轮毂轴承总成进行特返分析汇总失效模式。共计收集25例故障件,故障模式主要表现为点状剥落、超精不良、异常冲击及误判等,故障分布图如图1所示,主要故障原因为外圈点状剥落其占比48%,下文主要针对点状剥落问题进行探讨。


  2 失效原因

  沟道清洁度不良、游隙设计不良、材质不佳及进水失效等均能造成轴承沟道点状剥落问题产生,针对故障件拆解现象对其失效机理予以具体分析,三种典型故障如下:

  2.1材质不佳如确定材质不佳导致轴承点状剥落,其剥落处材质在SEM扫描电镜下会显示金属夹杂物等,该批故障件电镜扫描结果未见材质夹杂物。

  2.2进水失效

如确定进水失效导致轴承点状剥落,其内部油脂含水量会高于PPM2000(0.2%),通过检测故障件油脂含水量能判定其是否存在进水痕迹,该批检测油脂含水量均小于PPM2000,未见进水失效痕迹。

  2.3游隙设计参数不良

游隙设计不良导致轴承沟道点状剥落问题,检测轴承内部油脂含水量及点状剥落材质均不能发现异常。轮毂轴承使用过程中只有负游隙偏紧能造成沟道剥落问题,负游隙需要锁紧螺母锁紧来实现(如图2所示)。因故障件已拆解分析,故只能检测轴承正游隙数据来验证是否存在质量问题,一代轮毂轴承正游隙设计参数为65-90um。检测故障件游隙数据范围为66-70um符合技术要求但数据整体偏于下限,属于拆解分析过程异常点,下一步对此展开分析。


  3 力矩与预紧力之间关系

  一代轮毂轴承负游隙受出厂游隙(65-90um)及锁紧螺母产生的预紧力(50±10KN)两项因素控制。上述原因分析中已确定出厂游隙符合设计要求,那么轴承负游隙超差应出现在预紧力超差因素上,下面对轴承预紧力进行研究,轴承预紧力靠锁紧螺母拧紧来保证,锁紧螺母采用扭矩法控制,该方法下力矩与预紧力之间关系如公式(1)所示:


  轮毂轴承设计阶段预计仅靠上述公式计算,已知摩擦系数、公称直径,根据输出50±10KN预紧力要求,计算出力矩控制范围为300±10KN。

  为确定实际预紧力与理论计算是否一致,本课题对300N.m扭矩法控制下锁紧螺母产生的预紧力开展实际检测工作,扭矩控制在300±10KN,采用传感器收集预紧力数据15组,如图3所示:


  由上述检测数据可以得知,轴承实际预紧力与理论计算存在较大误差,实际预紧力数据均值高于理论计算值,结合第二部分故障件游隙均偏小问题,基本确定负游隙偏紧是造成轴承早期疲劳剥落原因。下一步通过故障再现试验对推理结论进行验证。

  4 故障再现及故障原因确定

  出厂游隙(65-90um)处于上/下限产品各选取两件,预紧力确定为上述试验中所检测的最大值78KN,通过171小时寿命耐久试验进行对比验证,游隙处于极限小产品外圈沟道呈现点状剥落一例,游隙极限大产品沟道无剥落无麻点状态良好。试验证实预紧力大及游隙出厂数据处于极限小是造成轴承点状剥落真因。

  考虑主机厂已将锁紧螺母拧紧方式固化,在预紧力不变情况下,改善方式只能通过调整轴承出厂游隙来避免负游隙偏大问题产生,最终游隙调整为80-105um来避免负游隙超差问题产生,通过试验验证该方案可行。

  5 结论

  轴承早期疲劳失效与轴承游隙设计参数及预紧力数据存在直接关系,在不改变轴承预紧力及预紧方式下,可以通过调整轴承游隙来避免轴承早期疲劳失效问题。

  参考文献:

  [1](日)冈本纯三.球轴承的设计计算[M].北京:机械工业出版社,2003(3):15-21.

  [2]刘泽九.滚动轴承应用手册[M].北京:机械工业出版社,2017.

  [3]刘佳.轿车二代轮毂轴承游隙与预紧力分析[J].上海汽车,2010.

  [4]吕伟.摩擦系数与螺栓拧紧力矩系数关系的探讨[J],沈阳航空工业学院学报,1998,15(4):29-33.

来源:《中小企业管理与科技(下旬刊)》,2016(3)