汽车轮毂轴承预紧力影响因素分析_时喆

汽车轮毂轴承预紧力影响因素分析
时 喆
（陕西同创华亨汽车散热装置有限公司）
摘 要: 汽车驱动桥轮边装配过程中，轮毂轴承预紧力调整精度变化大，无法精确调整。

本文通过对斯太尔汽车驱动桥原单螺母结构和目前使用的双螺母结构装配过程进行对比，分别对两种结构的轮毂轴承预紧力调整过程进行分析，分别找出了预紧力的影响因素，细化了装配工艺，并为以后工程技术人员在今后桥总成轮边结构设计中提供参考 。

关键词：轮毂轴承 预紧力 轴头螺母 间隙
The Analysis Of The Cause Of Automotive Wheel
Hub Bearing Preloaded Force
Shi zhe
Shaanxi Tongchuang-Huaheng Auto Cooling System Co.,Ltd, Baoji722405,China
Abstract: Automotive drive axle-wheel assembly process, the wheel hub bearing preload adjustment accuracy changes, can not be accurately adjusted. In this paper, on the Steyr vehicle drive axle of the original single-nut structure and current structure of the double nut assembly process of comparing the two structures, respectively wheel bearing preloaded force adjustment process, analyze, respectively, identified the impact of preload factors, refinement of the assembly process, and for the future engineering and technical personnel in the next round of the edge structural design of the bridge assembly is provided for reference.
Keywords: Wheel Hub Bearing Preloaded Force Axle Nut Clearance
问题描述：
原斯太尔轮毂轴承预紧力的调整是单螺母结构，装配时通过加减调整垫片来进行预紧力的调整，操作麻烦，并且经常由于垫片厚度尺寸的选配不能达到最佳，造成预紧力控制精度不高；后来为解决桥总成轴头螺母松退问题，将单螺母结构改为双螺母锁紧结构，但新结构预紧力调整过程中，出现第一道螺母拧紧后松退一定角度，再拧入第二道螺母时预紧力变化较大，无法精确保证工艺要求，造成多次调整，而且经常造成止退垫片损坏，直接影响装配效率和装配质量。

我们通过对轮边轴头螺母两种结构装配过程进行分析，找出了两种结构预紧力的影响因素。

单螺母结构的装配过程分析：
装配过程 ①先将装好O型圈的隔圈安装到桥壳轴头外圆上，使用专用撞子轻推隔圈到位与轴头锥面相贴；② 将30222轴承内圈加热到70℃-80℃（现场使用时间控制），装到轴头轴颈外圆，直接用手推到与隔圈相贴到位；③ 用吊具将轮毂总成（压好轴承外圈和油封）钩住保持一定高度推到30222轴承内圈上，然后套入齿圈支架带32222轴承内圈总成，使用专用撞子将其装配到位；④ 测量齿圈支架外端面到桥壳轴头端面之间的轴向距离，与理论尺寸计算得到的数据进行比较选取一定厚度尺寸的调整垫片，具体尺寸链计算为：
隔圈厚度+30222轴承宽度+轮毂内端面间距+32222
轴承宽度+齿圈支架大端厚度+止推垫片厚度+止退垫片厚度+轴头螺纹深度-理论尺寸 单螺母结构装配示图（图1）：
图1：单螺母结构装配图
将计算所得的差值减小0.30mm（经验数值）选择调整垫片，将轴头螺母带调整垫片一起拧入，螺母拧紧力矩300 N.m ~ 400N.m；⑤ 用手转动轮毂2-3圈，用弹簧秤沿轮胎螺栓孔切线方向拉轮胎螺栓，弹簧秤读数为70 N~ 90N（该数值考虑轮毂油封影响），来保证图纸要求轮毂轴承预紧力7 N.m ~ 9 N.m，如果达不到要求，重新选调整垫片调整。

实际在该阶段我们要求装配工必须进行“假”间隙消除，在现场实测通过使用专用撞子（较大力
量）撞击，重新用轴头螺母扳手拧紧到300 N.m ~400 N.m；扳手能再拧入16°，在轴向尺寸上约影响0.067mm，我们认为“假”间隙对预紧力调整精度影响非常大。

下面针对上述装配过程分析“假”间
隙来源：
1. 隔圈装配中是否贴实和装配中的反弹
隔圈内孔与轴头外圆配合设计为间隙配合（隔
圈内孔Φ110+0.123 +0.036mm,轴头外圆Φ110+0.025
+0.003mm）
，使用专用撞子或用手轻推可直接到位，由于隔圈内装有O 型圈有一定过盈量反弹的可能性很小，从现场看此过程不存在间隙； 2. 30222轴承内环装配
由于是加热装配，轴承内孔热胀变大，轴承很轻松地用手推入，在装时能够保证到位。

但是由于是加热装配，轴承的宽度尺寸也有所变化，这里我们进行了试验具体数据如下：
轴承厂家：襄轴
将10个30222轴承内环宽度分别在室温下加热到55℃～60℃、放置自然冷却到室温状态，测得其宽度值数据（见表1）：
表1
轴承宽度（mm）
序号 加热前室温状态20℃
加热至55℃～60℃
加热后冷却至
20℃
1 37.910 37.941 37.918
2 37.882 37.925 37.885
3 37.918 37.975 37.935
4 37.91
5 37.975 37.960 5 37.925 37.988 37.923
6 37.953 37.978 37.965
7 37.93
8 37.963 37.935 8 37.911 37.965 37.916
9 37.895 37.958 37.938 10
37.919
37.981
37.939
由表1中数据可以看出，轴承在加热到55℃~ 60℃时其宽度变化量在0.03mm~0.07mm 之间，车间温度约20℃，在冷却到室温后与热态尺寸相比变
化0.015mm~0.065mm。

这种尺寸的变化从数据上看比较大，这在不加油磨合桥时预紧力的变化也反映出来，一般降低预
紧力10N以上。

为降低加热温度越高对尺寸变化量
越大的影响，我们采取现场试验确定轴承的最佳加
热温度，数据见表2：
表2
序号 加热时间（S） 达到温度值（℃） 放置后装配温度值（℃） 装配情况
1 35 81 45 正常
2 35 70 45 正常
3 25 55 40 不正常
4 2
5 50 45 不正常
5 25 55 41～48 正常
6 25 40～4
7 / 正常
7 28 55 / 正常
8 28 68 / 正常
9 28 56 / 正常
10 28 65 / 正常
最后确定最佳加热温度为60℃ ，放置温度不能低于40℃，即轴承加热器加热时间28秒（原工艺要求35秒）当然这可能由于环境温度对该参数有一定影响。

这比原先工艺要求的70℃~ 80℃对轴向尺寸的影响会小一些。

目前这种热装方式是否在装配步序中采用气冷工艺来消除还有待进一步探讨。

从上述分析是一个间隙来源。

3.轮毂总成装配与齿圈支架带32222轴承内圈装配
从装配图反映的装配关系看：齿圈支架总成的轴向定位没有，完全靠预紧力的调整程度来定。

由于齿圈支架内孔与轴头两段定位外圆以及花键均为间隙配合，其中Φ80 mm外圆最大间隙0.059mm, Φ91 mm外圆最大间隙0.129mm；同时形位公差同轴度为Φ0.06 mm，这些都造成齿圈支架定位的不确定性，再通过专用撞子撞击后改变了原有的定位状态，造成一定量的轴向移动，这里我们无法完全消除，但对装配工艺细化，规定装配工在最终调整预紧力时必须转动轮毂2圈~ 3圈，使用专用的撞子较大的力量撞击至少两次，来减少其影响。

当然我们对相关件也应提出工艺方法的要求:例如轮毂内孔加工的“一刀下”，桥壳轴头外圆一次切入磨削完成所有外圆表面的加工，齿圈支架的同轴度保证，这在一定程度上可以减小影响。

4.弹簧秤的测量系统分析
现场使用的弹簧秤示值精度为2N，工艺要求70N~90N，符合量具的选择要求，对其进行线性、重复性分析，具体见下表：
甲乙丙丁四人分两组用弹簧秤测轮毂预紧力，甲乙测同一个轮毂的一个位置，连测三次，丙丁测同一个轮毂的一个位置，连测三次，测得数据见表3：
表3
零件编号 测量人 测量数值（N） 个人最大差值 两人平均差值 甲 80 88 84 8
1
乙 92 88 82 10
4
甲 90 100 116 26
2
乙 108 96 128 32
9
甲 100 80 102 22
3
乙 90 100 80 20
4
甲 92 90 88 12
4
乙 80 90 84 10
5
甲 80 84 84 4 5
乙 90 104 84 14 9
丙 88 92 100 12 6 丁 100 84 80 20 5
丙 120 100 80 40 7 丁 92 104 96 12 3
丙 92 84 80 12 8 丁 100 104 104 4 18
丙 116 100 104 16 9 丁 128 116 112 16 13
丙 100 92 90 10 10 丁
90
92
88
4
4
注：1、红色标出数据指出同一人由于测量方法不当产生的最大测量误差； 2、浅蓝色标出数据为不同测量人由于测量方法不当产生的最大测量误差。

通过表3中数据可以看出：问题出在装配工测量方法上，由于工艺要求使用弹簧秤钩住轮胎螺栓头部，沿分布圆切线方向拉弹簧秤读数，每个人拉弹簧秤的角度不完全一致，造成数据的再现性差，最大差值18N，平均值在7.4N，占到公差的37﹪，测量系统判定为不合格需改进。

这就必须在量具的使用方法上采取措施，设计专用量具辅具保证拉弹簧秤的方向为切线；对弹簧秤要求拉钩为抗圆环形，且与轮胎螺栓头部尺寸设计为间隙合理的直径，解决拉钩位置变化的问题。

双螺母结构装配过程分析：它的装配过程在① ~ ③步骤与单螺母装配过程相同：④ 拧入第一道轴头螺母，拧紧力矩300 N.m ~400N.m，转动轮毂2圈~3圈，松退螺母60°；⑤ 装入止退垫片；⑥ 拧入第二道轴头螺母，拧紧力矩400 N.m±30 N.m。

在调整过程出现以下问题：第二道螺母对预紧力影响非常大。

我们针对螺母压紧过程进行原因分析： 1. 第一道螺母在拧紧后松退螺母60°，相当于轴向尺寸变化 1.5/6=0.25mm，变化很大，在现场检查螺母有的直接就能用手拧动，这个轴承预紧力相当于接近没有，必须重调；第一道螺母如果没有完全松退，它将受到来自齿圈支架的反作用力，从其牙型受力图上看（见图2、图3）：由于存在松退后产生0.25mm 的轴向移动，如果第一道螺母松退，
那么第二道螺母拧入后对第一道螺母原先的受力状态进行了破坏，影响预紧力；如果没有完全松退，第二道螺母的拧紧对第一道螺母受力的影响很小，轴向产生移动是由于假间隙的存在，从而对预紧力进行影响。

图2：第一道轴头螺母拧紧时
图3：第二道轴头螺母拧紧后
对第一道螺母的影响
2. 我们知道螺纹的拧紧力矩需克服螺母与被联接件之间的摩擦力矩约占50％和螺纹副的摩擦力矩约占40﹪，以及由于螺纹斜面受力而产生的反拧力矩约占10﹪，如果由于非正常原因造成摩擦副力矩上升，那么对轴承预紧的变化影响就大。

从分析结果，造成第二道螺母引起的预紧力变化大主要原因为假间隙未完全消除；第一道螺母如果松退过多，则螺纹加工精度对其也有一定影响，因为M80×1.5-6H/6g(配合间隙为0.032 mm~0.456mm,引起的轴向尺寸变化0.018 mm ~0.263 mm，实际用百分表测螺纹间隙约在0.12 mm左右),可从控制螺母松退角度来解决。

解决措施：
通过上述分析我们采取以下措施解决双螺母结构预紧力调整问题：
1.改原先的调整方法为在第一道螺母拧紧松退螺母后，必须使用弹簧秤拉预紧力，根据预紧力来调整螺母松退的程度；
2.要求装配前，必须对桥壳M80×1.5螺纹100﹪用过螺纹工具通过，并去除铣键槽毛刺和外圆倒角毛刺，减小摩擦副的摩擦力矩；
3.进行部分产品的改进，对轴头螺母、止退垫片表面处理由原来的镀锌改为磷化涂油，减小各摩擦副的摩擦系数，采取该措施后轴头螺母的拧紧力矩的分散度大大降低，更易保证拧紧力矩的准确性；
4.为改善第一道螺母的调整精度，我们将原设计止退垫片的齿数增加，原止退垫片齿数为6齿，我们可以将其改为25齿，这样调整精度由原来0.25mm减小为1.5/25=0.06mm；见图4：
图4
5.通过以上第3、4项措施，同时还解决了双螺母在预紧力调整过程中，当第二道螺母拧紧时将止退垫片扭变形而无法使用的问题，该项改进后，后续装配中无一例损坏；
6.改进弹簧秤的拉钩，减小来自测量系统的误差，提高精确度；
7.除此之外油封质量对目前预紧力的调整有一定影响，装配工艺中对油封装配刃口必须涂润滑脂，但润滑脂在冬季和夏季应分别制定预紧力要求；不同的油封厂家由于油封抱轴力的不同也应分别制定预紧力要求；如何减小轴承加热对间隙的影响也是后续的一个课题。

结论：
1.通过优化工艺参数（例如轴承加热温度的最佳化）、细化工艺（例如桥壳螺纹的100%螺纹工具通过、键槽毛刺的修理）、轴承假间隙消除、以及对装配工的动作规范，来减小装配过程的变差；
2.通过分析并对部分产品设计结构进行改进，从结构上实现调整环节的精度，减小预紧力的分散度
上述措施的实施是轮毂轴承预紧力的调整可达到控制，当然如果要达到预紧力的精确控制，还需从零部件的加工工艺上再提高，更进一步保证尺寸的稳定性以及形位公差来实现。