商用車FAG輪轂軸承單元合裝工藝改進(jìn)

黃 展，常艷昌，邴 浩，翟劍峰，歐陽(yáng)沐坤，唐林明，劉 剛

商用車FAG輪轂軸承單元合裝工藝改進(jìn)

黃 展，常艷昌，邴 浩，翟劍峰，歐陽(yáng)沐坤，唐林明，劉 剛

（湖北三環(huán)車橋有限公司，湖北 襄陽(yáng) 441700）

輪轂軸承主要作用是承重，并為輪轂的轉(zhuǎn)動(dòng)提供精確引導(dǎo)，它既承受軸向載荷又承受徑向載荷，對(duì)汽車穩(wěn)定性、輕量化、智能化有著重要影響。文章主要介紹FAG輪轂軸承單元在輪轂合裝時(shí)的工藝改進(jìn)方案及其新式壓頭設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)某公司普通輪轂結(jié)構(gòu)和FAG輪轂軸承單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，在滿足現(xiàn)有裝配工藝的前提下，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)壓頭工裝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，分別從定位、裝配方向、作業(yè)強(qiáng)度進(jìn)行了分析和改進(jìn)，設(shè)計(jì)出一款新式軸承壓頭，最終實(shí)現(xiàn)輪轂總成裝配質(zhì)量提高、生產(chǎn)效率提高、工人勞動(dòng)強(qiáng)度降低的效果。在以后的工裝設(shè)計(jì)時(shí)，可以借鑒精益化生產(chǎn)的設(shè)計(jì)思路來(lái)設(shè)計(jì)工裝。

FAG輪轂軸承單元；裝配工藝；工裝設(shè)計(jì)；效率提升；商用車；優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 背景介紹

近年來(lái)，主機(jī)廠對(duì)整車的質(zhì)量和成本管控要求越來(lái)越高，為此提出了輕量化、智能化、長(zhǎng)周期或免維護(hù)、高性能等要求。輪轂軸承是汽車底盤上重要零部件之一，其主要作用是承重，并為輪轂的轉(zhuǎn)動(dòng)提供精確引導(dǎo)，它既承受軸向載荷又承受徑向載荷，對(duì)汽車穩(wěn)定性、輕量化、智能化有著重要影響[1]。目前汽車上所采用的輪轂軸承單元類型有普通輪轂軸承和免維護(hù)輪轂軸承單元。普通輪轂軸承由兩套單獨(dú)的圓錐滾子軸承組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該結(jié)構(gòu)比較分散，軸承的安裝、注油、密封以及游隙的調(diào)整都是在生產(chǎn)線完成，人為影響因素多，成本高、可靠性差。且在使用過(guò)程中密封效果不理想，輪轂內(nèi)腔易進(jìn)水、泥沙，從而導(dǎo)致軸承壽命降低，雖然國(guó)內(nèi)車橋廠對(duì)該型號(hào)輪轂密封性能進(jìn)行提升，但密封效果仍未滿足免維護(hù)要求。免維護(hù)輪轂軸承單元實(shí)則屬于第一代輪轂軸承單元，分為分體式輪轂軸承單元和整體式輪轂軸承單元，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

為了在車橋上體現(xiàn)出輕量化和免維護(hù)性能，湖北三環(huán)車橋有限公司近年在美國(guó)康邁免維護(hù)輪端的基礎(chǔ)上又引進(jìn)了德國(guó)斯凱孚FAG輪轂軸承單元，在整橋重量和性能上都得到極大的提升，目前FAG輪轂軸承單元已推廣應(yīng)用至TR4.2、TR5.6、TR7平臺(tái)。

圖1 普通輪轂軸承

圖2 免維護(hù)輪轂軸承單元結(jié)構(gòu)

我公司現(xiàn)FAG輪轂軸承單元裝配時(shí)，需要依靠人工翻轉(zhuǎn)兩次輪轂總成，此操作步驟嚴(yán)重影響車間裝配效率，增加了員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，不便于員工操作。并且油封壓頭采用手柄式結(jié)構(gòu)，工裝的定位能力和導(dǎo)向精度較差。考慮到公司現(xiàn)有發(fā)展戰(zhàn)略，對(duì)節(jié)能降本、提高產(chǎn)品質(zhì)量、提升裝配效率提出更高要求，我公司重新對(duì)裝配工藝做出優(yōu)化和改進(jìn)，并應(yīng)用了新式壓頭，采用“一壓兩用”的方案，以達(dá)成提高生產(chǎn)效率、降低操作工勞動(dòng)強(qiáng)度、提高裝配質(zhì)量的預(yù)期效果。

目前商用車輪轂軸承發(fā)展到現(xiàn)代已經(jīng)經(jīng)歷了三代，國(guó)外主要使用第三代商用車輪轂軸承單元，而國(guó)內(nèi)商用車輪轂軸承以第一代為主，部分為第二代。

第一代輪轂軸承單元是外圈整體式雙列圓錐滾子軸承，它是由一個(gè)軸承外圈和兩個(gè)軸承內(nèi)圈組成，軸承內(nèi)部加注潤(rùn)滑脂，其結(jié)構(gòu)和實(shí)物如圖3所示。該軸承單元可以應(yīng)用在各種環(huán)境中，具有易安裝、抗污染能力強(qiáng)、免維修、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)。并且軸承單元在出廠時(shí)已通過(guò)尺寸鏈的計(jì)算來(lái)控制游隙，在裝配過(guò)程中不需對(duì)游隙進(jìn)行調(diào)整，按照規(guī)定力矩?cái)Q緊即可獲得軸承最大使用壽命[1]。

第二代輪轂軸承單元是在第一代輪轂軸承單元的基礎(chǔ)上，將軸承外圈與跟軸承相配合的零件即輪轂制成一體的結(jié)構(gòu)型式，圖4是其結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物照片。第二代輪轂軸承的外圈帶輪轂相對(duì)于第一代輪轂軸承其特點(diǎn)是重量較輕，裝配部件數(shù)量較少易于安裝，省去了軸承外圈壓入輪轂的步驟[2]。

圖4 第二代輪轂軸承單元結(jié)構(gòu)

2 FAG輪轂軸承單元簡(jiǎn)介

德國(guó)舍弗勒集團(tuán)成立于1883年，旗下?lián)碛腥笃放疲篎AG、INA和LuK，是全球范圍內(nèi)提供滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承解決方案、直線和直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)。舍弗勒FAG免維護(hù)輪轂軸承單元經(jīng)過(guò)在歐洲、北美、南美、中亞、東南亞等世界范圍內(nèi)超過(guò)10年量產(chǎn)應(yīng)用，都可實(shí)現(xiàn)百萬(wàn)公里以上的使用壽命。配備由舍弗勒設(shè)計(jì)驗(yàn)證的密封系統(tǒng)和潤(rùn)滑油脂，可保證在百萬(wàn)公里內(nèi)無(wú)需更換[3]。

FAG軸承單元結(jié)構(gòu)包括O型密封圈、內(nèi)油封、內(nèi)軸承、卡環(huán)、外軸承、外油封、潤(rùn)滑脂等，如圖5所示。輪轂軸承結(jié)構(gòu)如圖６所示。其擁有以下特點(diǎn)：

（1）長(zhǎng)壽命：壽命超過(guò)百萬(wàn)公里，書面質(zhì)保3年50萬(wàn)公里；

（2）軸承單元結(jié)構(gòu)更緊湊、系統(tǒng)集成化程度高、拆裝便利；

（3）輕量化：?jiǎn)蝹€(gè)輪轂總成可減重14 kg（與我公司TR5.6康邁輪端重量相比）；

（4）低摩擦：優(yōu)化滾道、滾子及密封結(jié)構(gòu)，可降低摩擦40%～50%，降低油耗；

（5）高可靠性，國(guó)內(nèi)外大批量成熟應(yīng)用，有超過(guò)10年的市場(chǎng)驗(yàn)證。

1—O型密封圈；2—內(nèi)油封；3—內(nèi)軸承；4—卡環(huán)；5—外軸承。

圖6 輪轂軸承結(jié)構(gòu)示意圖

3 現(xiàn)有FAG輪轂軸承單元合裝工藝

此次FAG輪轂選用我公司型號(hào)為T5009，F(xiàn)AG輪轂軸承單元使用舍弗勒型號(hào)為F-805733，合裝工序：（1）壓裝內(nèi)、外軸承外圈；（2）壓裝車輪螺栓；（3）輪轂翻轉(zhuǎn)180°；（4）放置內(nèi)軸承內(nèi)圈在支撐座上；（5）將外軸承內(nèi)圈放入輪轂軸承中并安裝卡環(huán)；（6）壓裝輪轂外油封；（7）輪轂翻轉(zhuǎn)180°；（8）壓裝輪轂內(nèi)油封；（9）裝配制動(dòng)防抱死系統(tǒng)（Antilock Brake System，ABS）齒圈。

裝配工序共9步，示意圖如圖7所示。

圖7 裝備工序示意圖

原FAG輪轂軸承單元合裝時(shí)需要兩次翻轉(zhuǎn)，我司生產(chǎn)總部現(xiàn)有輪轂總成合裝線采用人工翻轉(zhuǎn)。翻轉(zhuǎn)時(shí)操作工必須輕拿輕放輪轂總成，不得產(chǎn)生磕碰，員工勞動(dòng)強(qiáng)度大，不便于FAG輪轂軸承單元流水線生產(chǎn)。需要增加2臺(tái)翻轉(zhuǎn)設(shè)備，考慮到工藝經(jīng)濟(jì)性，可參考我司北京分廠輪轂總成合裝線的翻轉(zhuǎn)設(shè)備，由于油封壓裝時(shí)壓力較小，可在翻轉(zhuǎn)平臺(tái)上進(jìn)行工序（4）—（6）步驟完成輪轂軸承合裝和外油封壓裝。將兩次翻轉(zhuǎn)在同一臺(tái)翻轉(zhuǎn)設(shè)備中進(jìn)行，可減少1臺(tái)翻轉(zhuǎn)設(shè)備，降低工藝成本。翻轉(zhuǎn)設(shè)備如圖8所示。

圖8 輪轂翻轉(zhuǎn)機(jī)

原工藝方案存在以下缺點(diǎn)：（1）整個(gè)工序需要依靠人工翻轉(zhuǎn)兩次輪轂總成，輪轂總成重量約33 kg，若不采用翻轉(zhuǎn)設(shè)備，員工勞動(dòng)強(qiáng)度大，操作不便。并且人工翻轉(zhuǎn)時(shí)易產(chǎn)生磕碰，產(chǎn)品質(zhì)量得不到保障；若采用翻轉(zhuǎn)設(shè)備，增加了裝配工藝成本。（2）油封壓頭采用手柄式結(jié)構(gòu)，工裝的定位能力和導(dǎo)向精度較差，采用敲擊壓頭的方式進(jìn)行裝配，可靠性也較差。

4 裝配工藝優(yōu)化改進(jìn)

4.1 新裝配工藝流程

考慮到裝配工藝的經(jīng)濟(jì)性，為減少工藝成本，降低操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，我司確定新裝配工藝，采用新式壓頭，將軸承內(nèi)圈支撐座與油封壓頭組合一體，使整個(gè)裝配過(guò)程取消了輪轂翻轉(zhuǎn)。優(yōu)化改進(jìn)后裝配工藝工序流程為（1）壓裝內(nèi)、外軸承外圈；（2）壓裝車輪螺栓；（3）放置輪轂外油封及外軸承內(nèi)圈于新式壓頭上正確就位；（4）放置輪轂于外軸承內(nèi)圈上，使輪轂正確就位；（5）放置內(nèi)軸承內(nèi)圈及安裝卡環(huán)；（6）壓裝輪轂外油封；（7）裝配ABS齒圈。

裝配工序共7步，示意圖如圖9所示。

4.2 新式壓頭工裝設(shè)計(jì)

4.2.1工裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新式壓頭工裝將軸承內(nèi)圈支撐座與油封壓頭組合一體，定位銷頭部用車床車出螺紋，使用螺母將上、下壓頭進(jìn)行固定，可實(shí)現(xiàn)上、下輪轂油封同時(shí)壓裝。新式壓頭工裝由5個(gè)零件組成：上壓頭、定位銷、彈簧、下壓頭、定位塊，如圖10所示。

1—上壓頭；2—定位銷；3—彈簧；4—下壓頭；5—定位快。

工作原理：油封壓裝時(shí)，上壓頭1下移，使軸承內(nèi)圈與外圈接觸并托起輪轂，通過(guò)軸承的內(nèi)、外圈進(jìn)行導(dǎo)向和定位，定位精度滿足裝配要求。上壓頭1和下壓頭4為滑動(dòng)配合，兩壓頭之間形成一個(gè)密閉的空腔，在壓裝過(guò)程中，不斷壓縮、排氣和擴(kuò)張、吸氣，因?yàn)榭諝獾淖枘嶙饔?，影響壓頭上升和下降的節(jié)拍。最終將上壓頭增加2個(gè)通氣孔，保證在壓裝過(guò)程中，壓頭內(nèi)腔與外界氣壓相通，消除空氣阻尼[5]。

4.2.2工裝各零部件配合尺寸設(shè)計(jì)

（1）下壓頭4下端內(nèi)徑尺寸與壓力機(jī)下頂缸連接，采用間隙配合（0.2～0.4 mm）；

（2）上壓頭1外徑與下壓頭4內(nèi)徑之間需要上、下往復(fù)滑動(dòng)，為保證軸承內(nèi)圈和油封的裝配精度，采用小間隙配合（0.10～0.15 mm）；

（3）定位銷2與上壓頭1和下壓頭4連接，其中與上壓頭1采用間隙配合（0.15～0.20 mm），保證導(dǎo)向精度，與下壓頭4采用過(guò)盈配合，保證連接牢固；

（4）上壓頭1軸承安裝止口與軸承內(nèi)圈連接，采用小間隙配合（0.10～0.20 mm），保證軸承內(nèi)圈的定位精度[7]。

4.2.3工裝受力后的位移分析

將輪轂放在工裝上，在不受其他外力的情況下，由于輪轂自身重力壓縮彈簧，從而導(dǎo)致上壓頭1和下壓頭4的相對(duì)位移減少。為確保下壓頭4在上行過(guò)程中，油封不與輪轂安裝油封位接觸，需確保彈簧變形量小于下壓頭到油封安裝孔口的距離，且有一定的安全余量，如圖11所示。

4.2.4圓柱壓縮彈簧的選取

為保證上壓頭1在受壓力作用向下移動(dòng)時(shí)，受到彈簧給它均勻相反的彈力，選取4件彈簧，均勻分布在上壓頭1的內(nèi)腔中。彈簧選用彈簧線徑=3 mm，中徑=20 mm，自由長(zhǎng)度=50 mm，有效圈數(shù)=6.5，最大變形量=22 mm，彈簧剛度=15 N/mm[6]，彈簧分布及彈簧如圖12所示。

T5009輪轂總成自重33 kg，由彈簧彈力公式=··計(jì)算出彈簧受輪轂自重的壓縮量[4]。為彈簧所受壓力，這里取輪轂自身重力；為彈簧數(shù)量，這里取4；為彈簧剛度，取15 N/mm。

每個(gè)彈簧壓縮量=/(·)=33×9.8÷(4×15)= 5.39 mm。各狀態(tài)下壓頭位移情況如圖13所示。

4.2.5工裝設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

（1）為避免油封裝配過(guò)程中下壓頭4位移量超過(guò)彈簧的最大變形量，設(shè)計(jì)下壓頭時(shí)最大位移量小于22 mm，如圖13所示，當(dāng)油封壓裝到位時(shí)彈簧壓縮量為20+1=21 mm，小于彈簧的最大變形量22 mm，仍處在彈性變形內(nèi)，不影響彈簧使用壽命；

（2）為避免在壓頭托起輪轂時(shí)，油封與輪轂端面接觸，工裝設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)留一定的余量，初始狀態(tài)下壓頭距輪轂端面的距離為21 mm，油封自身高度為7 mm，油封壓入輪轂端面深度2.5 mm，托起輪轂后的彈簧壓縮量為5.39，設(shè)計(jì)余量約為21? 7?2.5?5.39=6.11 mm，減少了油封裝配前的磕碰、變形風(fēng)險(xiǎn)；

（3）為減少輪轂搬運(yùn)到工裝上的動(dòng)作，降低勞動(dòng)強(qiáng)度[8]，設(shè)計(jì)工裝時(shí)壓頭初始位置在工作臺(tái)面以下，當(dāng)輪轂移動(dòng)到工裝上方時(shí)，下頂缸上行頂起輪轂。待油封壓裝完畢，頂缸下行，工裝退回到工作臺(tái)以下，將搬運(yùn)動(dòng)作優(yōu)化為推拉動(dòng)作。

5 結(jié)論

本文主要對(duì)輪轂軸承單元合裝工藝進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，通過(guò)對(duì)軸承單元結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)現(xiàn)有FAG輪轂軸承單元合裝工藝進(jìn)行評(píng)估，分別從定位、裝配方向、作業(yè)強(qiáng)度方面對(duì)我公司現(xiàn)有工藝進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出新式壓頭完成對(duì)FAG輪轂軸承單元合裝工藝的改進(jìn)和提升。具體優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）工藝可靠性好。下壓頭4和壓力機(jī)下頂缸連接為小間隙配合，定位準(zhǔn)確。上壓頭1和下壓頭4采用滑動(dòng)配合，導(dǎo)向性好。輪轂與工裝的導(dǎo)向、定位方式采用軸承內(nèi)、外圈的錐面進(jìn)行導(dǎo)向，導(dǎo)向定位可靠性高，工藝可行性好。

（2）勞動(dòng)強(qiáng)度低。每件輪轂總成裝配時(shí)，減少2個(gè)翻輪轂總成的動(dòng)作，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，消除了產(chǎn)品的磕碰，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，減少工序作業(yè)時(shí)間，將翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的推拉動(dòng)作。

（3）工藝成本低。原裝配工藝方案要兩次翻轉(zhuǎn)輪轂總成，需增加1臺(tái)翻轉(zhuǎn)設(shè)備。而新式壓頭工裝的應(yīng)用，可取消翻轉(zhuǎn)設(shè)備，減小設(shè)備投入，節(jié)約了制造成本。

在以后的生產(chǎn)中，工裝的設(shè)計(jì)要充分考慮到員工的使用環(huán)境，要從實(shí)際出發(fā)，設(shè)法簡(jiǎn)化員工的操作動(dòng)作，減輕員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)制造成本。

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[7] 王寶璽,賈慶祥.汽車制作工藝學(xué)[M].3版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

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Improvement of FAG Hub Bearing Unit Assembly Process for Commercial Vehicles

HUANG Zhan, CHANG Yanchang, BING Hao, ZHAI Jianfeng, OUYANG Mukun,TANG Linming, LIU Gang

( Hubei Tri-Ring Axle Company Limited, Xiangyang 441700, China )

The main role of hub bearing is bearing, and provides accurate guidance for the rotation of the hub, it bears both axial load and radial load.It has an important influence on vehicle stability, lightweight and intelligence.This paper mainly introduces the process improvement scheme and new indenter design of FAG hub bearing unit in hub assembly. Through the analysis of the common hub structure and FAG hub bearing unit structure, on the premise of meeting the existing assembly process of a company, according to the structural characteristics of the indenter tooling optimization design, respectively from the positioning, assembly direction, operation intensity analysis and improvement, design a new bearing indenter. Finally, the assembly quality of wheel hub assembly is improved, the production efficiency is improved, and the labor intensity of workers is reduced. In the future tooling design, we can learn from the lean production design ideas to design tooling.

FAG hub bearing unit;Assembly process;Tooling design;Efficiency improvement;Commercial vehicles;Optimization design

U466

A

1671-7988(2022)21-143-08

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10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.021.027

黃展（1994—），男，工程師，研究方向?yàn)檐嚇蜓b配工藝，E-mail:285923202@qq.com。