1 轮毂轴承单元发展概述
轮毂轴承单元是汽车底盘的关键零部件, 轿车的轮毂轴承过去最多的是成对使用单列圆锥滚子或球轴承。随着技术的发展, 轿车已经广泛的使用轿车轮毂单元。轮毂轴承单元的使用范围和使用量日益增长, 目前已经从第一代、第二代发展到了第三代。
2 汽车轮毂圆锥轴承的失效特点
下面是国内轮毂圆锥轴承典型实效模式:
A、等间距条状剥落;B、片状剥落;C、烧伤失效;D、擦伤/划伤;E、点蚀;F、锈蚀;G、磨损~烧伤复合失效。
以上失效模式中轮毂轴承发生磨损—烧伤的概率最高;而防止以及控制轮毂发生此类失效最直接的方法就是调整轴承滚子游隙。
3 客、货车轮毂轴承游隙控制的特点
我公司客车对轮毂与轴承的技术要求主要是载荷大小、启动力矩、拧紧力矩、轴向允许的窜动量。其中载荷等为其自身特性, 润滑脂为根据需要选定的润滑脂, 我公司装配所能调整的为后面两项, 但其根本即为轴承游隙的调整 (下图1) 。
1) 轮毂轴承滚动体载荷分化。
在轴承安装的过程中, 以一定的预紧力, 使得滚动体和座圈处于压紧力作用下, 并由此消除间隙, 产生弹性预变形, 提高轴承的刚度, 同时通过调整游隙应使轴承在180°~360°范围内使一半以上的滚动体参与受力。
轴承的载荷区有其内部的游隙支配, 不计负预荷, 轴承的小游隙能产生大的载荷区, 随后得到更长的轴承寿命。下面以垂直载荷为6k N时圆锥滚子轴承载荷区滚动体载荷沿周向分布曲线。左图的径向游隙为0, 右图的径向游隙为10μm。不同游隙下轴承滚动体载荷分布曲线。如下图2。
由上图可以看出随着工作游隙的增大, 实际承受载荷的滚动体个数减少, 其最大滚动体载荷Qmax增加, 而且载荷区内外列滚动体载荷都有所增大。
2) 轴承的磨损寿命。
对轴承最基本的要求, 是使轴承具有最长的疲劳寿命和磨损寿命。其疲劳只与轴承的结构参数有关, 所以我们能提高的就是其磨损寿命。影响轴承的磨损寿命的关键因素是润滑状态。若能使轴承处于完全流体动力润滑状态, 则摩擦形态便为完全流体摩擦, 这样轴承的磨损就非常轻微。在轴承的结构参数等给定条件下, 最大滚动体的载荷Qmax越小, 滚动体与内圈滚道之间的最小弹流膜hm越大, 越容易形成完全流体润滑, 轴承的磨损寿命越长。
最大滚动体载荷与游隙的关系:
下面是对轴承进行有限元分析, 模拟计算其在垂直载荷分别为6k N、4k N时, 承载区滚动体最大载荷Qmax随工作游隙的变化曲线。
由此可见轴承滚动体最大载荷是随着游隙成三次方增长的, 当轴承游隙趋于0时, 轴承滚动体最大载荷值最小, 最佳工作游隙为0~10μm时, 载荷值变化较大, 但其较好;10~30μm变化虽然趋于缓和, 但其值叫最佳工作游隙稍大;当大于30μm时, 滚动体最大载荷增加较为迅速, 游隙较差。
如我公司6~7t客车桥的轴承预紧调整方式为:用一定的拧紧力矩打紧之后, 轮毂被锁死, 再回轮毂的1/6~1/8圈, 转动3~4圈, 摩擦力矩较小即可。我们可以对其游隙进行计算:圆锥内孔锥度为1:12, 由于内圈有75%~85%在实轴上起到了扩张作用, 故轴向实际间隙推进量=径向的15倍。其锁紧螺母的螺纹的螺距为1.5~2mm。那么其调整后的径向游隙即为:h= (1.5~2) ·1/[ (1/6~1/8) ·15]= (12.5~22.2) μm。是在其最佳游隙和理想游隙范围内。
3) 润滑脂、润滑油对游隙的影响。
在良好的润滑下, 轴承内部会形成1~3μm的油膜。所有在最佳游隙范围内, 前一半范围内选取时需要谨慎。同时润滑脂的选取要合适。以我公司瑞风桥轮毂轴承润滑脂和普通客车桥润滑脂为例:瑞风润滑脂为7109极压负荷锂基脂, 其锥入度为265~295, 而普通客车桥采用汽车通用锂基脂, 其锥入度为245~265。由于其采用较好的锂基脂, 使得可以有更小的游隙, 轴承也能处于完全流体动力润滑状态, 同时保持较小的滚动阻力。良好的润滑油也同样如此。
4) 预紧力经验公式。
由于轴承游隙, 以及其刚度的调整, 离不开预紧力。通过对我公司使用经验以及一些其他企业的参考资料, 一般圆锥滚子轴承预紧力的估算公式如下:
(1) 重负荷:轴承预紧力=额定动负荷/20。
(2) 中负荷:轴承预紧力=额定动负荷/40。
(3) 轻负荷:轴承预紧力=额定动负荷/80。
(4) 微负荷:轴承预紧力=额定动负荷/400。
在实际中, 可以根据实际的使用方式, 以及需要的启动力矩, 在小范围内调整。如如果要求减少支撑系统的振动和噪音, 提高旋转精度, 则选择较轻的预紧力。对中、低速旋转的机械, 为了增加支撑刚度, 选择较大点预紧力。
5) 确定游隙值。
在我公司, 通过主齿运转, 带动轮毂运动来检验, 一般主轴在高速转动下持续5分钟左右, 其主轴温度在50°C~60°C之间为宜。若温度过高, 还需要对游隙值进行微调, 直到符合要求为止。
4 结束语
随着科学技术的发展, 轮毂单元越来越科技化, 部分高级轿车轮毂的游隙已不要人工调整, 但由于普通卡车、客车成本控制的需要, 在短时间内达到这种水平是很难的, 所有对游隙的研究还是很有必要的。
摘要：轮毂轴承失效模式主要有轴承烧蚀、滚子磨损、保持架变形等形式, 如不即时发现会导致转向节断裂, 引起车祸, 后果不堪设想。影响轮毂轴承失效的主要因素有:轴承游隙值设定游隙及如何调整, 以下以客车、卡车底盘轮毂轴承的预紧方法合理游隙值。
关键词：轮毂轴承系统,轴承失效模式,游隙
参考文献
[1] Timken公司.轴承选型指南.
[2] 姚振强.汽车摩擦学.
[3] 李红光.轴承预紧的意义.