轮毂轴承对车轮晃动的影响
2010-07-31李素娟
李素娟
(浙江万向精工有限公司,杭州 311202)
1 问题的提出
公司生产的第一代汽车轮毂用双列角接触球轴承(图1)系为国内某车型配套,在进行例行的道路试验时,其中一辆车进行到8 000 km时,用手扳动车轮,发现车轮有轻微晃动的迹象,没有达到客户60 000 km的要求。经过大量的检测、试验验证及分析,排除了驱动轴等其他配合部件的原因,问题焦点锁定在以下3个方面:
图1 汽车轮毂用双列角接触球轴承
(1)驱动轴端锁紧螺母的拧紧力矩不足,对轴承端面预紧力不足,使轴承不能在规定预载荷下工作[1-2]。
(2)轴承本身游隙过大,在与其他零件配合过程中,此游隙不能完全消除。
(3)转向节内孔与轴承外径面配合的过盈量偏小,不能有效实现轴承预紧和消除轴承预先设定的游隙[1-2]。
为此,开展了如下的检查对比工作,以便找出车轮晃动的原因。
2 原因分析
2.1 驱动轴端锁紧螺母拧紧力矩的检查
用带显示仪的扭矩扳手松开锁紧螺母测量松脱力矩,实测值为225 N·m,经过查询相关图纸得知,锁紧螺母的规格为M24 mm×1.5 mm。
因T=0.2Fd
(1)
式中:T为锁紧螺母的拧紧力矩;F为锁紧螺母拧紧后产生的轴向预紧力;d为螺纹的基本大径。
由(1)式可以计算出轴承的轴向预紧力只有46 kN[3];但根据该轴承的设计要求,轴承的轴向预紧力应大于60 kN,轴承在使用过程中才能够达到最佳状态。由(1)式可以计算出,螺母的拧紧力矩应大于288 N·m,因此认为此力矩较小,不满足设计要求,考虑相关配合零件的制造误差及计算误差,建议将锁紧力矩值规定为(320±20) N·m。
2.2 轴承游隙的检查
对轴承的游隙进行检查,实际检测结果为0.083 mm,而图纸要求轴向游隙为0.07~0.10 mm,故轴承的轴向游隙满足设计要求,不是故障产生的原因。
2.3 转向节内径(孔)及轴承外径的检查
对转向节内径及轴承外径进行了检测,结果见表1。
表1 转向节内(孔)径及轴承外径检查结果 mm
从表1中可以看出,转向节内(孔)径尺寸超出设计要求。因:
(2)
式中:Δh为外圈滚道的减少量;I为过盈配合直径的过盈量;Dh为外圈外径(或转向节内孔直径)名义值;D2为外圈沟道直径;ξb为外圈的泊松比;Eb为外圈的弹性模量;Eh为转向节的弹性模量;D1为转向节外径;ξh为转向节的泊松比。
将轴承外径及转向节内径的检测结果代入(2)式,计算得到外圈沟道减少量为0~0.013 mm,不满足设计要求的0.025~0.054 mm。
根据以上检测和计算结果,转向节内孔超出设计的最大孔径要求,与轴承配合过盈量偏小,不能消除轴承预先设定的游隙,是导致车轮晃动的原因。
3 试验验证
3.1 台架试验
为了对分析结果进行验证,进行了故障再现试验验证。挑选不同状态的转向节,在不同的螺母拧紧力矩条件下,按照汽车厂的安装方式对总成进行安装,之后,按照汽车厂的一般耐久性试验方法进行台架试验,试验后,检测总成件的偏摆值(相当于车轮摆动)。检测方法见图2,施加的力矩值:M=FR=±60 N·m,测量点位置:r=120 mm。试验及检测结果见表2。
表2 试验及检测结果
图2 检测示意图
拆解后轴承未发生疲劳剥落,所以,在各种状态下,轴承的疲劳寿命都满足该车型的使用要求。
锁紧螺母的力矩与总成件偏摆的关系见图3。从图3可以看出,两种不同状态下,总成的偏摆值基本一致。
图3 锁紧力矩与偏摆值的关系
不同锁紧力矩下转向节内径尺寸与总成件偏摆的关系见图4。由图可知:转向节内孔尺寸在设计要求范围内,总成的偏摆值低,满足汽车厂的总成偏摆要求;转向节内径尺寸不满足设计要求时,总成的偏摆值较高,不满足汽车厂的总成偏摆要求,故障得到再现。
图4 转向节内孔直径与偏摆值的关系(以内径基本尺寸74 mm计)
由以上试验可以看出:转向节内径尺寸虽然超出设计要求较小,但对总成的偏摆影响很大;而提高锁紧螺母的拧紧力矩对总成的偏摆影响不大。
3.2 道路试验
尽管通过台架试验验证了此次故障产生的原因为转向节内孔尺寸超过了设计要求,但因道路试验是汽车厂最终验证手段,因此汽车厂又进行了一次道路试验。此次试验将锁紧螺母拧紧力矩改为(320±20) N·m,以验证该力矩的合理性。试验条件及结果见表3。
表3 道路试验条件及结果
由路试结果可知:在相关零件都符合设计要求,螺母拧紧力矩调整为(320±20) N·m时,轴承寿命可以满足该车型的使用要求;在同样路试工况的条件下,到60 000 km以上时车轮仍然没有产生晃动。
4 结论
(1)产生车轮晃动的根本原因为转向节径(孔)尺寸超出设计的最大值。
(2)轴承在两种锁紧力矩的情况下,疲劳寿命都可以满足客户的使用要求,但230 N·m的拧紧力矩偏离了设计值,为了提高整个车轮系统的可靠性,降低轴承损坏的概率,根据轴承的设计要求,将锁紧螺母的安装力矩确定为(320±20) N·m。