轮毂轴承基体硬度与异常冲击负游隙失效关系

赵小威　胡冬冬　于辉

摘 要：本文重点对轮毂轴承基体硬度与抗冲击性能之间的关系进行研究，通过冲击与耐久试验验证，调整内法兰零部件基体硬度能提高轮毂轴承抗冲击性能。

关键词：轮毂轴承；游隙；屈服强度；异常冲击

轮毂轴承是汽车行驶系统中的重要零部件，目前家用汽车轮毂轴承绝大部分采用双列角接触轴承。第三代轮毂轴承使用摆碾技术对轴承总成游隙进行预紧使其形成负游隙，相比于一、二代轮毂轴承其优点在于使用过程中负游隙不受锁紧螺母影响，运转可靠且稳定寿命周期长。负游隙失效已成为三代轮毂轴承重要的失效模式，本文主要探讨轴承基体硬度、轴承受冲击与负游隙失效关系。

1 负游隙、游隙定义

1.1 游隙概念 轴承内部滚动体和滚道之间一般都有正的间隙称为游隙，汽车轮毂轴承使用过程中，这个游隙需要进行消除，否则会严重影响传动系统的运动精度，并引起轴承异响且影响轴承使用寿命，所以轮毂轴承实际使用过程中会保证其处于负游隙状态。实际生产中，通过滚动体与滚道之间的弹性变形消除滚动体与滚道之间的接触间隙。由于这个弹性变形相对于原来的正游隙来说是把滚动体与滚道之间的间隙从正值变成了负值，故也常称为负游隙（三代轮毂轴承游隙应介于-0.01—-0.05mm）。

1.2 游隙检测方式 对于负游隙的检测，一般方法为在外法兰上逐渐施加一个轴向压力（如图1所示），在该力的作用下，上侧钢球原始受压状态下的弹性变形逐渐减小，在施加压力的同时，采用拨叉在一定扭矩（10N·m）作用下去拨动钢球，如果刚好能拨动钢球，说明本侧钢球处于预紧与松弛的临界状态，此时记录下的轴向压力为上侧钢球的卸载力，即轴承卸载力。通过试验验证轴承卸载力与游隙存在线性关系，即极限卸载力对应相应的负游隙上下限。

2 失效模式及分析

某车型市场陆续反馈失效故障件，此故障发生里程分布在5000-50000公里，呈现随机分布且服务站分布全国无特定区域。对故障件检测分析发现其转动力矩均大幅降低（标准值为0.4-1.5N·m，故障件转动力矩均<0.1N·m），使用游隙检测设备对该批故障件负游隙进行检测，结果显示轴承卸载力均小于最小卸载力设定值，说明该批故障件负游隙已全部失效。对故障件拆解发现典型问题如下：①外法兰存在对称性点状压痕，且滚道检测呈现椭圆状；②内法兰主轴弯曲变形（主轴弯曲程度均值平均为0.28mm，标准要求≤0.05mm）。

根据以上分析轴承受到异常冲击，内法兰主轴变形导致小圈沿沟道αR（滚动体接触角）受力方向移动，导致轴承轴向负游隙失效。

轴承受异常冲击内法兰主轴发生弯曲变形是轴承负游隙失效导致轴承异响的根本原因，异常冲击发生于驾驶习惯不当、路况恶劣等不可控因素下，本课题主要研究从轴承方面提升抗冲击性能。由于内法兰材质的屈服强度直接影响其抵抗冲击变形能力，行业中内法兰材质通常采用55#钢，而通过试验测得热处理硬度与材质的屈服强度呈现线性关系（如表1所示），故可以通过提高内法兰材质基体硬度来提高轴承总成产品抗冲击性能。

3 试验验证

3.1 试验简介

本课题通过冲击+耐久试验来模拟整车受异常冲击实际工况，冲击试验模拟整车受异常冲击过程，耐久试验模拟整车受冲击后运转环境。最终通过轴承卸载力变化值大小来验证内法兰硬度提升的改善效果。

异常冲击试验（如图2所示），将三代轮毂轴承固定在台架试验机上，试验冲击端距离轮毂轴承固定端距离为轮胎半径用于模拟实车冲击状况。

重载耐久试验台架如图3所示，该试验通过对轴承施加径向载荷和轴向载荷，模拟整车在转弯过程中承受最苛刻载荷情况。

3.2 试验效果 调整热处理工艺，分别制作硬度范围为HB180-220与HB200-250内法兰样件2批，将上述批次内法兰分别组装轴承总成产品各3套，产品均通过冲击与重载耐久试验，试验前后分别检测其卸载力数据，试验后通过卸载力数据变化值来间接反馈轴承总成产品负游隙失效程度，试验结果显示硬度调整后产品抗冲击性能明显强于调整前产品，改善前卸载力变化量为11512N，改善后卸载力变化量为2450N。

4 结论

汽车三代轮毂轴承内法兰基体硬度高低是影响其抗冲击性能的关键因素，本文通过故障失效表现形式及整车模拟试验，验证内法兰基体硬度提升能提高三代轮毂轴承抗冲击性能，避免总成产品负游隙失效，提高了轴承使用寿命，对同类产品类似失效模式改进具有实际的借鉴意义。

参考文献：

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