于輝 苗仲亮 趙小威

摘 要：一代輪轂軸承總成售后市場(chǎng)失效模式主要表現(xiàn)為外圈溝道點(diǎn)狀剝落，溝道清潔度不良、游隙設(shè)計(jì)不良、材質(zhì)不佳及進(jìn)水失效等均能造成軸承溝道點(diǎn)狀剝落問題產(chǎn)生。本文重點(diǎn)研究軸承游隙設(shè)計(jì)與軸承外圈點(diǎn)狀剝落之間關(guān)系。

關(guān)鍵詞：一代輪轂軸承總成；預(yù)緊力；負(fù)游隙；力矩

轎車所使用一代輪轂軸承采用雙列角接觸軸承結(jié)構(gòu)，其工作環(huán)境要求鋼球在一定的壓力下運(yùn)轉(zhuǎn)，即軸承裝配整車后應(yīng)始終保持在負(fù)游隙狀態(tài)。一代輪轂軸承主機(jī)廠裝配傳動(dòng)軸進(jìn)行動(dòng)力傳輸，需使用鎖緊螺母進(jìn)行連接，鎖緊螺母所帶來(lái)的夾緊力會(huì)對(duì)軸承預(yù)緊使其形成負(fù)游隙，鎖緊螺母擰緊過程通常通過扭矩法控制。

1 失效模式

對(duì)某車型一代前輪轂軸承總成進(jìn)行特返分析匯總失效模式。共計(jì)收集25例故障件，故障模式主要表現(xiàn)為點(diǎn)狀剝落、超精不良、異常沖擊及誤判等，故障分布圖如圖1所示，主要故障原因?yàn)橥馊c(diǎn)狀剝落其占比48%，下文主要針對(duì)點(diǎn)狀剝落問題進(jìn)行探討。

2 失效原因

溝道清潔度不良、游隙設(shè)計(jì)不良、材質(zhì)不佳及進(jìn)水失效等均能造成軸承溝道點(diǎn)狀剝落問題產(chǎn)生，針對(duì)故障件拆解現(xiàn)象對(duì)其失效機(jī)理予以具體分析，三種典型故障如下：

2.1 材質(zhì)不佳 如確定材質(zhì)不佳導(dǎo)致軸承點(diǎn)狀剝落，其剝落處材質(zhì)在SEM掃描電鏡下會(huì)顯示金屬夾雜物等，該批故障件電鏡掃描結(jié)果未見材質(zhì)夾雜物。

2.2 進(jìn)水失效 如確定進(jìn)水失效導(dǎo)致軸承點(diǎn)狀剝落，其內(nèi)部油脂含水量會(huì)高于PPM2000（0.2%），通過檢測(cè)故障件油脂含水量能判定其是否存在進(jìn)水痕跡，該批檢測(cè)油脂含水量均小于PPM2000，未見進(jìn)水失效痕跡。

2.3 游隙設(shè)計(jì)參數(shù)不良 游隙設(shè)計(jì)不良導(dǎo)致軸承溝道點(diǎn)狀剝落問題，檢測(cè)軸承內(nèi)部油脂含水量及點(diǎn)狀剝落材質(zhì)均不能發(fā)現(xiàn)異常。輪轂軸承使用過程中只有負(fù)游隙偏緊能造成溝道剝落問題，負(fù)游隙需要鎖緊螺母鎖緊來(lái)實(shí)現(xiàn)（如圖2所示）。因故障件已拆解分析，故只能檢測(cè)軸承正游隙數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證是否存在質(zhì)量問題，一代輪轂軸承正游隙設(shè)計(jì)參數(shù)為65-90um。檢測(cè)故障件游隙數(shù)據(jù)范圍為66-70um符合技術(shù)要求但數(shù)據(jù)整體偏于下限，屬于拆解分析過程異常點(diǎn)，下一步對(duì)此展開分析。

3 力矩與預(yù)緊力之間關(guān)系

一代輪轂軸承負(fù)游隙受出廠游隙（65-90um）及鎖緊螺母產(chǎn)生的預(yù)緊力（50±10KN）兩項(xiàng)因素控制。上述原因分析中已確定出廠游隙符合設(shè)計(jì)要求，那么軸承負(fù)游隙超差應(yīng)出現(xiàn)在預(yù)緊力超差因素上，下面對(duì)軸承預(yù)緊力進(jìn)行研究，軸承預(yù)緊力靠鎖緊螺母擰緊來(lái)保證，鎖緊螺母采用扭矩法控制，該方法下力矩與預(yù)緊力之間關(guān)系如公式（1）所示

輪轂軸承設(shè)計(jì)階段預(yù)計(jì)僅靠上述公式計(jì)算，已知摩擦系數(shù)、公稱直徑，根據(jù)輸出50±10KN預(yù)緊力要求，計(jì)算出力矩控制范圍為300±10KN。

為確定實(shí)際預(yù)緊力與理論計(jì)算是否一致，本課題對(duì)300N.m扭矩法控制下鎖緊螺母產(chǎn)生的預(yù)緊力開展實(shí)際檢測(cè)工作，扭矩控制在300±10KN，采用傳感器收集預(yù)緊力數(shù)據(jù)15組，如圖3所示：

由上述檢測(cè)數(shù)據(jù)可以得知，軸承實(shí)際預(yù)緊力與理論計(jì)算存在較大誤差，實(shí)際預(yù)緊力數(shù)據(jù)均值高于理論計(jì)算值，結(jié)合第二部分故障件游隙均偏小問題，基本確定負(fù)游隙偏緊是造成軸承早期疲勞剝落原因。下一步通過故障再現(xiàn)試驗(yàn)對(duì)推理結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證。

4 故障再現(xiàn)及故障原因確定

出廠游隙（65-90um）處于上/下限產(chǎn)品各選取兩件，預(yù)緊力確定為上述試驗(yàn)中所檢測(cè)的最大值78KN，通過171小時(shí)壽命耐久試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，游隙處于極限小產(chǎn)品外圈溝道呈現(xiàn)點(diǎn)狀剝落一例，游隙極限大產(chǎn)品溝道無(wú)剝落無(wú)麻點(diǎn)狀態(tài)良好。試驗(yàn)證實(shí)預(yù)緊力大及游隙出廠數(shù)據(jù)處于極限小是造成軸承點(diǎn)狀剝落真因。

考慮主機(jī)廠已將鎖緊螺母擰緊方式固化，在預(yù)緊力不變情況下，改善方式只能通過調(diào)整軸承出廠游隙來(lái)避免負(fù)游隙偏大問題產(chǎn)生，最終游隙調(diào)整為80-105um來(lái)避免負(fù)游隙超差問題產(chǎn)生，通過試驗(yàn)驗(yàn)證該方案可行。

5 結(jié)論

軸承早期疲勞失效與軸承游隙設(shè)計(jì)參數(shù)及預(yù)緊力數(shù)據(jù)存在直接關(guān)系，在不改變軸承預(yù)緊力及預(yù)緊方式下，可以通過調(diào)整軸承游隙來(lái)避免軸承早期疲勞失效問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]（日）岡本純?nèi)?球軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003（3）：15-21.

[2]劉澤九.滾動(dòng)軸承應(yīng)用手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017.

[3]劉佳.轎車二代輪轂軸承游隙與預(yù)緊力分析[J].上海汽車，2010.

[4]呂偉.摩擦系數(shù)與螺栓擰緊力矩系數(shù)關(guān)系的探討[J]，沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1998，15（4）：29-33.