免调整轮毂轴承结构分析

2020-09-04陈亚军陈勇良

锻压装备与制造技术 2020年4期

陈亚军，陈勇良

（1.甘肃机电职业技术学院，甘肃天水 741000；2.浙江金澳兰机床有限公司，浙江金华 321200）

1 圆锥滚子轴承调隙的重要性

轮毂轴承是汽车的关键零部件之一，它的主要作用是承载重量和为轮毂的转动提供精确引导，这就要求它不仅能承受轴向载荷，还要承受径向载荷。所以，轮毂轴承通常选用成对安装的圆锥滚子轴承。为了消除轴承在运转过程中滚动体受离心力矩作用，造成滚动体和滚道之间产生相对滑动，导致轴、座圈分离倾向，确保轴承正常工作，必须施加一定的轴向预紧力，从而达到圆锥滚子轴承的调隙即装配高的调整。

圆锥滚子轴承中游隙包括轴向游隙和径向游隙，如图1所示。一般来说，轴向游隙越大，径向游隙也越大，反之也一样[2]。据统计，成对安装的圆锥滚子轴承，通过预紧可以提高系统支承刚度一倍左右[1]。

轴向预紧载荷的大小，直接影响着汽车的使用性能。若轮毂轴承预紧过紧,会增大车轮转动阻力,滑行性能降低，轴承易于磨损。若轮毂轴承预紧过松,则会因车轮在滚动中产生的摇摆降低其行驶的稳定性，致使轮胎、轮毂及相关配件产生不正常磨损而过早失效。

目前，轮毂轴承常用的调整游隙的方法有：

（1）先紧后松法。将轮毂外轴承正位后，边转动轮毂，边拧紧调整螺母，直到用手转动轮毂很紧时，再将调整螺母退回即拧松1/6～1/4圈，然后将调整螺母固定，这就是轮毂轴承预紧方法中的“先紧后松”[3]。用此方法预紧时，当调整螺母拧紧后，两轴承内圈将会向轴中心移动，使得轴承游隙减小为零或者负值，此时轴承游隙将会很小。当调整螺母拧松后，受轴承变形、摩擦阻力等影响，两轴承内圈不会同步或同幅向轴的两侧移动，致使轴承游隙依然较小，故而加剧了轴承的磨损，使其寿命降低。

（2）尺寸链控制法。生产中，考虑到游隙对轴承工作刚度、疲劳寿命及轴的偏摆等因素的影响，通常用内外圈尺寸、轴承宽度、滚子尺寸等组成的封闭尺寸链来计算并控制游隙的尺寸。初始游隙是根据要求选配，可通过计算，也可通过测量，一般都能够精确地控制和选择。轴承安装游隙计算起来较为复杂，安装游隙的影响因素较多，如公差过盈量大小、配合面粗糙度等。其中公差过盈量大小是影响安装游隙的主要因素。轴承通常采用内圈或外圈过盈安装，但过盈量会引起内外胀缩，造成游隙的变化，能准确地计算安装游隙的大小是非常必要的[4]。此方法计算中组成因素多、误差大、计算精度低且生产精度要求较高，给轴承的生产加工、装配及测量等过程带来了困难，且准确度不高。

2 轴承疲劳寿命与游隙关系

2.1 轴承游隙取值范围

轮毂轴承游隙呈以下3种情况，如图2所示。

（1）0游隙，此时轴承游隙值为零，在位置角±90°范围内的滚子会承受载荷，受载滚子数量较多。

（2）正游隙，此时轴承内部存在游隙，在位置角大于0°，小于90°的范围内的滚子会承受载荷，受载滚子数量最少，出现因单个滚子承载应力最大而致使轴承过早疲劳失效的现象。

（3）负游隙，此时轴承内部不存在游隙，在位置角大于90°，小于180°的范围内的滚子会承受载荷，受载滚子数量最多，单个滚子承载应力最小，故而轴承疲劳寿命最高。

2.2 轴承游隙对疲劳寿命的影响

在轴承工作游隙与疲劳寿命的关系图中（图3），当轴承游隙为-0.01mm时，轴承有最大的疲劳寿命，但随着负游隙的增大，疲劳寿命同样会显著下降且降得很快。沿正游隙方向轴承寿命降低幅度相对平缓得多[5]。由于负游隙及零游隙时不便测量，所以实际应用中一般以零游隙值游隙下限，通常选取游隙为正值。

3 免调整轮毂轴承结构分析

3.1 免调整轮毂轴承结构

通常，轮毂轴承选用游隙可调的圆锥滚子轴承，通过移动轴承内、外滚道的相对轴向位置可以获得所需要的游隙值[6]。

现通过在轴承间安装隔套，在足够的预紧力作用下，使内外轴承预紧且游隙变小的同时，让隔套发生弹性变形，而向轴的两侧伸展，同时内外轴承的内圈将分别向轴的两端移动，从而使轴承游隙由预紧后的小游隙而略微增大至合适的工作游隙，其结构如图4所示。

3.2 免调整轮毂轴承内部力学模型

装配好弹性隔套后，轮毂轴承各部件受力如图5所示，首先锁紧螺母将在连接法兰上产生轴向压力，并作用于外轴承内圈，此时轴向力分两个方向传递：一个是通过圆锥滚子传递给外轴承外圈，外轴承外圈轴向力通过减速器壳轴承座传递给内轴承外圈，再通过圆锥滚子传递给内轴承内圈；一个是通过弹性隔套，进而作用于内轴承内圈，这两个方向作用力在内轴承内圈进行汇合，并作用于主齿轴。两个方向的作用力合力作用于主齿轴并与锁紧螺母拧紧产生的轴向力平衡，形成主齿总成装配的封闭力学模型。

3.3 影响免调整轮毂轴承性能的因素

预紧力的大小很重要，合适的预紧力才能使隔套产生合适的变形量，从而推动内圈产生合适的轴承游隙。若预紧力偏大，预紧后轴承游隙将会很小，隔套也将被严重的压缩，回弹量变小，从而使轴承内圈向轴两端移动距离太小，而产生了较小的游隙。反之，轴承游隙会相对增大，出现轴定位不稳而引发的偏摆现象；隔套材料及结构形状也影响着预紧力的大小，受不同材料屈服极限的不同和同一材料不同形状下的变形量不同等因素的影响，轴承预紧时须依据隔套材料及其形状而确定预紧力的大小。

3.4 免调整轮毂轴承的原理及使用

3.4.1 免调整轮毂轴承原理

由于普通无隔套的轮毂轴承在使用时要对轴承内外圈装配尺寸预紧力进行检测计算，确保装配后的轴承游隙在合适范围，此过程相对复杂，操作难度较大。而带隔套的免调轮毂轴承则无需在装配时对零部件尺寸进行计算和控制，游隙只需通过施加预定的预紧力，让轴承游隙变小的同时通过隔套的弹性变形，将两轴承内圈向轴端外推，让轴承游隙由小而略微变大至合适范围。此过程，只需预先依据隔套材料、结构及回弹量确定出预紧载荷的大小，在轴承装配后无需测量其游隙，只要施加固定的预紧载荷，其游隙便在合适的使用范围内。

3.4.2 免调整轮毂轴承的使用

先在轮毂轴承间加装隔套，接着采用先紧后松的方法完成轮毂轴承的调隙而无需用尺寸链来计算并控制游隙。随着轴承的磨损和变形等因素的影响，轴承游隙也将会增大，其预紧力将随之减小，会出现轴承寿命下降、轴偏摆等现象。此时只需定期对轴承再施加同样大小的预紧力，然后在轴承游隙变小，轴承隔套弹性变形的作用下，两轴承内圈又会向轴端外移，轴承游隙将会再一次调整到合适的工作范围。此过程，无需计算和测量游隙，操控简便、稳定。