某車型后輪轂軸承異響問題分析

鄒有坤，許修國，李華雷，于志超，段雨蒙，王文龍

(1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000)

某車型后輪轂軸承異響問題分析

鄒有坤1,2，許修國1,2，李華雷1,2，于志超1,2，段雨蒙1,2，王文龍1,2

(1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000)

針對某車型輪轂軸承異響的問題，從外觀分析、尺寸分析、理化分析、臺架試驗和整車路試等方面找出失效真因，并給出解決思路，為后續(xù)相似問題的排查及解決提供理論支撐。

輪轂軸承；異響；失效分析

0 引言

輪轂軸承的主要作用是承重和為輪轂的轉(zhuǎn)動提供精確引導(dǎo)，它既承受軸向載荷又承受徑向載荷，具有安裝方便、受裝配因素影響小等優(yōu)點。某SUV車型上市1年內(nèi)，售后市場共反饋后輪轂軸承異響問題23例，產(chǎn)生直接及間接經(jīng)濟損失共計23.5萬元，引起顧客抱怨，影響某司品牌形象，需對此問題進行立項整改。

1 失效問題分析

根據(jù)售后反饋信息，故障樣件在生產(chǎn)日期、故障日期、失效里程、地域分布無集中性，可視為樣件本身缺陷導(dǎo)致異響。通過拆解異響軸承，從外觀、尺寸和硬度檢驗3個方面進行分析[1-2]。

1.1 外觀分析

將故障件拆解，通過觀察，軸承內(nèi)部油脂色澤光亮，無變色痕跡，無異常，見圖1。

圖1 故障件外觀圖示

使用特定刮色鋼球?qū)系罍锨蔬M行刮色檢驗，因鋼球與溝道輪廓一致，正常情況下，通過貼合后刮擦，能將溝道表面紅色油漆刮去；但故障件內(nèi)、外法蘭溝道受異常沖擊，造成溝道表面出現(xiàn)沖擊變形痕跡，變形區(qū)域紅色油漆使用刮色鋼球無法刮去。通過對故障件外法蘭溝道刮色觀察可以發(fā)現(xiàn)，外法蘭內(nèi)外側(cè)溝道對稱位置(具體見圖2印痕示意圖)存在明顯的沖擊變形現(xiàn)象。

圖2 印痕示意圖

1.2 尺寸分析

依據(jù)相關(guān)檢測標準規(guī)范，對失效軸承各零部件進行軸承擺動量、小圈溝道尺寸、內(nèi)法蘭溝道尺寸、外法蘭外側(cè)溝道尺寸和外法蘭內(nèi)側(cè)溝道尺寸檢測，通過與標準要求尺寸對比，故障件軸承擺動值超差，軸承松曠，其他各尺寸均合格。具體檢測明細見表1。

表1 尺寸分析檢測明細表 mm

1.3 硬度檢測

隨機取故障件內(nèi)、外側(cè)鋼球各兩顆，檢測其硬度，每顆鋼球各檢測3點。通過檢測，故障件內(nèi)、外側(cè)鋼珠基體硬度均在要求值范圍內(nèi)，結(jié)果見表2。同時對失效樣件內(nèi)、外法蘭進行切割取樣，嚴格按照硬度檢測要求，檢測內(nèi)、外法蘭樣塊硬度。故障件內(nèi)、外法蘭基體硬度均在要求值范圍內(nèi)，結(jié)果見表3。

綜上所述，通過對失效件進行分析得出，失效件主要存在2種失效現(xiàn)象：(1)對角位置存在等球距壓痕；(2)軸承擺動量超差，軸承已出現(xiàn)松曠。

表2 鋼球硬度檢驗結(jié)果

表3 內(nèi)外法蘭硬度檢驗結(jié)果

2 故障再現(xiàn)

2.1 松曠異響驗證

隨機抽樣新輪轂軸承4件，將輪轂軸承安裝到輪轂軸承耐久試驗工作臺上，如圖3所示，施加徑向加載力，輪轂軸承連續(xù)運轉(zhuǎn)，至軸承異響后試驗停止，從試驗工作臺上拆下輪轂軸承，檢查軸承有無松動。

圖3 輪轂軸承耐久試驗加載示意圖

徑向加載力按公式(1)進行計算：

Fr=fw×1/2wf

(1)

式中：wf為滿載軸荷(N)；fw為載荷系數(shù)，一般選取1.0；Fr為徑向加載力，垂直于路面作用力，加載在車輪中心位置。

輪轂軸承耐久試驗結(jié)果如表4所示。

表4 輪轂軸承耐久試驗結(jié)果

2.2 印痕深度與異響失效分析

隨機抽樣新輪轂軸承15件，將輪轂軸承安裝到靜態(tài)壓痕試驗工作臺上(模擬車輪受力，通過臺架對軸承施加載荷)，如圖4所示，通過不同的加載力(見表5)，制作不同印痕深度的輪轂軸承樣件，試驗完成后，將軸承樣件裝車測試確定導(dǎo)致異響最小印痕深度。

圖4 靜態(tài)壓痕試驗加載示意圖

載荷條件0．6g0．8g1．0g1．2g徑向/N79408864978710711軸向/N47647091978712853

接地點徑向力，按公式(1)進行計算：

(2)

接地點軸向力，按公式(1)進行計算：

(3)

式中：Waxle為整車前/后軸荷(N)；Hcg為整車質(zhì)心高度(mm)；as為沖擊系數(shù)，一般選取1.0；Sf為輪間距(mm)；ag/g為側(cè)向加速度系數(shù)。

靜態(tài)壓痕試驗數(shù)據(jù)及裝車測試結(jié)果：樣件印痕深度2.05～13.13 μm，6.78 μm時軸承裝車出現(xiàn)異響，失效載荷1.0g，如表6所示。

表6 靜態(tài)壓痕試驗數(shù)據(jù)及裝車測試結(jié)果 μm

2.3 松曠與沖擊印痕的關(guān)聯(lián)性分析

制作正負游隙軸承，并進行靜態(tài)壓痕試驗，加載載荷1.3g，對比初始負游隙數(shù)據(jù)與溝道壓痕深度，檢測結(jié)果顯示溝道印痕深度與軸承游隙無正、反相關(guān)關(guān)系(見表7)，即證明松曠與沖擊印痕為不強相關(guān)聯(lián)的2種失效模式。

表7 不同負游隙產(chǎn)品靜載壓痕試驗壓痕數(shù)據(jù)

μm

3 改進優(yōu)化

眾所周知，產(chǎn)品的強度分布與載荷分布交叉區(qū)的大小是由零部件的安全余裕度決定的。因此，主要從產(chǎn)品加工工藝和零部件選擇進行改進，對原有結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化處理。

方案一：更改鉚接結(jié)構(gòu)，使鉚接有效寬度不小于1.5 mm，小內(nèi)圈倒角尺寸由2.7 mm調(diào)整為3.0 mm，倒角徑向尺寸由3.0 mm調(diào)整為1.5 mm(見圖5)。隨機抽樣新輪轂軸承樣件，進行輪轂軸承耐久試驗，至出現(xiàn)異響停止試驗，出現(xiàn)異響時間從68 h增加至86 h，質(zhì)量提升約26.5%。

圖5 鉚接結(jié)構(gòu)改善示意圖

方案二：鋼球直徑(φ13.494 mm)不變更情況下，鋼球節(jié)圓直徑由φ52 mm變更為φ56 mm，軸承內(nèi)外側(cè)各增加一顆鋼球，因鋼球中心徑上調(diào)4 mm，出于設(shè)計優(yōu)化考慮增加軸承強度，將內(nèi)法蘭軸頸(與小圈配合處)增加4 mm，在保證鉚接量的同時則齒圈的檢測中心徑需同時做相對移動；改型樣件示意圖如圖6所示，改善前后數(shù)據(jù)對比如表8所示。

選取改型樣件進行靜態(tài)壓痕試驗(測試數(shù)據(jù)見表9)，試驗加載為0.8g、1.0g、1.2g、1.3g，試驗完成后檢測對比故障件壓痕深度與靜態(tài)壓痕深度。檢測結(jié)果顯示1.3g為改型后最小失效載荷，滾道印痕深度為12.18 μm≥6.78 μm。

圖6 改型樣件示意圖

項目改善前改善后鋼球中心徑/mm5256鋼球個數(shù)(單列)1112額定動載荷Cr/kN58．662．4跨距L/mm59．462．2外圈最大應(yīng)力/MPa38083666內(nèi)圈最大應(yīng)力/MPa41443937

表9 改型樣件靜態(tài)壓痕深度

4 小結(jié)

通過對軸承異響原因進行檢驗、分析，尋找失效真因，并模擬軸承受力情況，復(fù)現(xiàn)失效狀態(tài),有效解決輪轂軸承因異常沖擊導(dǎo)致的異響問題，避免軸承在短周期內(nèi)失效，延長輪轂軸承使用壽命，同時對同類產(chǎn)品類似失效模式的改進有一定的借鑒意義。

【1】李奕寶.某轎車減振器異響分析與優(yōu)化[J].汽車零部件,2013(8)：58-60. LI Y B.Analysis and Optimization of Automotive Shock Absorber Noise[J].Automobile Parts,2013(8)：58-60.

【2】郭慧燾.某輕型載貨汽車后橋異響機理與改進分析[D].長春:吉林大學,2012.

【3】喻凡，林逸.汽車系統(tǒng)動力學[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

Noise Analysis for Hub Bearing of an Idling Vehicle

ZOU Youkun1,2，XU Xiuguo1,2，LI Hualei1,2，YU Zhichao1,2，DUAN Yumeng1,2，WANG Wenlong1,2

(1.Research & Development Center of Great Wall Motor Company, Baoding Hebei 071000, China； 2.Automotive Engineering Technical Center of Hebei, Baoding Hebei 071000, China)

In order to solve the problem of abnormal sound of a hub bearing, from appearance analysis, dimension analysis, physical analysis, metallographic examination, bench test and vehicle test, the failure cause was found out, and the optimum design direction of the structure was proposed. It provides theoretical support for the investigation and settlement of similar problems.

Hub bearing; Noise; Failure analysis

2017-02-25

鄒有坤(1988—)，男，工學學士，助理工程師，研究方向為零部件疲勞驗證及分析。E-mail：zouykun@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.06.019

U463.343

B

1674-1986(2017)06-069-04