某車型輪轂軸承異響問題分析

于志超，李華雷，鄒有坤，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)

某車型輪轂軸承異響問題分析

于志超1,2，李華雷1,2，鄒有坤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(duì)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(tái)架試驗(yàn)和整車路試等方面進(jìn)行分析，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

輪轂軸承是汽車制動(dòng)系統(tǒng)中重要的零部件之一，主要用于連接制動(dòng)器總成和傳動(dòng)軸，為輪轂的轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞轉(zhuǎn)矩和支撐。輪轂軸承前期出現(xiàn)異響是后期失效時(shí)的預(yù)警，如果不及時(shí)消除異響，可能會(huì)導(dǎo)致軸承燒蝕、保持架變形，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)向節(jié)斷裂，引起交通事故，給用戶帶來巨大的人身傷害和財(cái)產(chǎn)損失[1]。

1 異響分析

根據(jù)售后反饋信息，故障件輪轂軸承在受到異常沖擊時(shí)產(chǎn)生“嗡嗡”異響。通過拆解異響軸承，從外觀、尺寸和理化檢驗(yàn)3個(gè)方面進(jìn)行分析[2]。

1.1 外觀分析

對(duì)兩套失效樣件進(jìn)行拆解分析，內(nèi)部油脂顏色正常、未見進(jìn)水跡象。在默認(rèn)軸承靠近車輪一側(cè)為外側(cè)、靠近驅(qū)動(dòng)軸一側(cè)為內(nèi)側(cè)的情況下，發(fā)現(xiàn)1號(hào)和2號(hào)軸承在外圈外側(cè)滾道周向30°～90°和外圈內(nèi)側(cè)滾道周向210°～270°處均存在不同數(shù)量的等球距沖擊印痕(見圖1(a)、(b))，經(jīng)測(cè)量印痕深度為1.3～3.3 μm。

圖1 印痕示意圖

1.2 尺寸分析

依據(jù)相關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對(duì)兩個(gè)失效軸承各零部件進(jìn)行游隙、內(nèi)徑尺寸和外徑尺寸檢測(cè)，通過與標(biāo)準(zhǔn)要求尺寸對(duì)比，各尺寸結(jié)果均為合格。具體檢測(cè)明細(xì)見表1。

表1 尺寸分析檢測(cè)明細(xì)表

mm

1.3 理化檢驗(yàn)分析

1.3.1 金相檢驗(yàn)

對(duì)失效樣件進(jìn)行清潔處理，嚴(yán)格按照金相檢測(cè)取樣塊要求，分別選擇軸承外圈、外側(cè)內(nèi)圈及內(nèi)側(cè)內(nèi)圈完成取樣，并借助于顯微鏡等設(shè)備開展檢測(cè)。金相組織檢驗(yàn)結(jié)果見表2。金相組織見圖2。

表2 金相組織檢驗(yàn)結(jié)果

圖2 金相組織

1.3.2 硬度檢測(cè)

故障件內(nèi)、外圈硬度均在要求值范圍內(nèi)，套圈內(nèi)部碳化物溶入良好，表層無脫碳現(xiàn)象，金相組織合格。外圈、外側(cè)內(nèi)圈及內(nèi)側(cè)內(nèi)圈的硬度檢驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 硬度檢驗(yàn)結(jié)果

通過對(duì)失效件進(jìn)行宏觀、微觀分析，兩套失效件內(nèi)、外圈滾道對(duì)角處均存在等球距印痕(形貌為橢圓形)，軸承其他性能及尺寸無異常。等球距印痕為軸承運(yùn)轉(zhuǎn)異響的直接原因，故需對(duì)等球距印痕產(chǎn)生現(xiàn)象進(jìn)行原因分析。

2 故障再現(xiàn)

當(dāng)車輛在轉(zhuǎn)向或側(cè)碰路肩時(shí)[3]，車輪受到異常沖擊力F，此力分解到軸承上，使軸承受到軸向力Fa、徑向力Fr。結(jié)合理論轉(zhuǎn)向應(yīng)力分布可知，軸承上的位置1、2受到的力最大為F1、F2，當(dāng)該力直接作用在滾道上時(shí)，易使得滾道表面受到的接觸應(yīng)力超過材料屈服強(qiáng)度，在位置1、2產(chǎn)生印痕。輪轂軸承受力分析示意圖見圖3。

圖3 輪轂軸承受力分析示意圖

為充分驗(yàn)證輪轂軸承承受沖擊載荷過程中印痕產(chǎn)生的臨界沖擊力，選取同一批次多個(gè)樣件，從臺(tái)架試驗(yàn)和整車載荷測(cè)試兩個(gè)方面開展相關(guān)測(cè)試。

2.1 臺(tái)架試驗(yàn)

選取7組軸承進(jìn)行測(cè)試，將輪轂軸承通過工裝固定在試驗(yàn)臺(tái)上，以輪胎滾動(dòng)半徑為加載點(diǎn)進(jìn)行加載，分別施加5、6、7、8、10、12、15 kN的壓力，載荷應(yīng)在15～20 s內(nèi)達(dá)到加載力要求值，然后在1～2 s內(nèi)卸載。通過模擬試驗(yàn)，計(jì)算加載不同軸向力時(shí)內(nèi)、外滾道的接觸應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 內(nèi)、外滾道接觸應(yīng)力

對(duì)試驗(yàn)后的軸承進(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)和7號(hào)軸承滾道出現(xiàn)不同程度印痕。綜合考慮印痕直徑及深度，得出軸承強(qiáng)度應(yīng)小于4 166 MPa，臨界沖擊力約為8 kN。

2.2 整車試驗(yàn)

綜合考慮失效樣件用戶使用工況，整車試驗(yàn)分兩次開展，分別為疲勞耐久路和特殊工況。

(1)疲勞耐久路

嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求，專業(yè)試驗(yàn)員駕駛試驗(yàn)車以規(guī)定車速駛過比利時(shí)路，并打轉(zhuǎn)向通過凹坑路，最后進(jìn)行8字繞行，采集3種路況上車輪受力情況。經(jīng)計(jì)算，比利時(shí)路軸承滾道接觸應(yīng)力為4 214 MPa，凹坑路軸承滾道接觸應(yīng)力4 437 MPa，8字路軸承滾道接觸應(yīng)力4 471 MPa，均超過產(chǎn)品實(shí)際強(qiáng)度4 166 MPa，存在失效風(fēng)險(xiǎn)。

(2)特殊工況

結(jié)合上述受力分析，印痕可能產(chǎn)生于側(cè)向沖擊力過大。選擇視野空曠的廣場(chǎng)，分別以正向和側(cè)向撞擊馬路石墩，累積循環(huán)多次。

對(duì)上述試驗(yàn)車的輪轂軸承進(jìn)行拆解分析，發(fā)現(xiàn)外圈內(nèi)側(cè)列滾道周向240°～270°存在2處輕微印痕，斜對(duì)角外側(cè)列滾道周向60°～90°存在1處輕微印痕。對(duì)印痕深度進(jìn)行檢測(cè)，試驗(yàn)場(chǎng)路試軸承印痕深度1.5 μm，路肩撞擊軸承印痕深度1.2 μm，與售后反饋失效基本一致。

3 改進(jìn)優(yōu)化

眾所周知，產(chǎn)品的強(qiáng)度分布與載荷分布交叉區(qū)的大小是由零部件的安全裕度決定的。因此，主要從產(chǎn)品加工工藝和零部件選擇方面進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化處理。

方案一，在軸承滾道加工工藝中，增加冷碾工藝。

通過冷碾擴(kuò)軸承套圈，可以大幅度節(jié)省材料和能源，顯著改善工件內(nèi)在質(zhì)量。冷碾擴(kuò)軸承套圈金屬材料呈流線分布，晶粒組織更加致密，與隨后的熱處理相結(jié)合，可使晶粒細(xì)化、組織致密、碳化物分布均勻，具有高的抗疲勞強(qiáng)度和相對(duì)較長的使用壽命。

方案二，材料更改為硬度較大的材質(zhì)。

因非金屬夾雜物會(huì)降低產(chǎn)品的機(jī)械性能，容易引起早期失效，而P、S元素會(huì)降低鋼的延展性、韌性和塑性。通過對(duì)兩種材質(zhì)進(jìn)行元素分析，GCr15的非金屬夾雜物含量明顯較高。因而通過更改材質(zhì)來提升產(chǎn)品可靠性。

4 小結(jié)

通過對(duì)軸承異響原因進(jìn)行檢驗(yàn)、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(shí)對(duì)同類產(chǎn)品類似失效模式的改進(jìn)有一定的借鑒意義。

【1】李舜酩.機(jī)械疲勞與可靠性設(shè)計(jì)[M].北京:科學(xué)出版社,2006:71-72,78-106.

【2】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.

【3】郭慧燾.某輕型載貨汽車后橋異響機(jī)理與改進(jìn)分析[D].長春：吉林大學(xué),2012.

Analysis of Hub Bearing Noise of an Idling Vehicle

YU Zhichao1,2，LI Hualei1,2，ZOU Youkun1,2，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

2016-11-07

于志超(1989—)，男，工學(xué)學(xué)士，助理工程師，研究方向?yàn)榱悴考隍?yàn)證及分析。E-mail:yuzhichao2046@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.03.018

U463.342

B

1674-1986(2017)03-071-03