汽車輪轂軸承單元組合式密封異響原因分析及解決方案

梁天，徐金國，趙興新，董紹江，承軍偉

（1.重慶長江軸承股份有限公司，重慶 401336；2.重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶 400047）

輪轂軸承單元是汽車傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其運行穩(wěn)定性和密封可靠性對整車的安全運行具有重要意義。關(guān)于汽車輪轂軸承單元密封結(jié)構(gòu)的研究有：文獻(xiàn)［1?2］基于臺架試驗和理論，分析汽車輪轂軸承單元兩側(cè)采用不同結(jié)構(gòu)密封圈對其摩擦力矩的影響，提出降低汽車輪轂軸承單元摩擦力矩的密封優(yōu)化方案；文獻(xiàn)［3］建立輪轂軸承單元密封圈模型，分析密封圈結(jié)構(gòu)參數(shù)對其密封性能和摩擦力矩的影響，結(jié)果表明接觸壓強(qiáng)和摩擦力矩隨唇厚、唇邊夾角、腰厚增大而增大，隨唇傾斜角、唇長增大而減?。晃墨I(xiàn)［4］設(shè)計一種具有剛?柔組合密封槽的重卡輪轂軸承單元，并建立有限元模型分析密封圈參數(shù)對其接觸應(yīng)力和等效應(yīng)力的影響，結(jié)果表明隨壓縮率和材料硬度的增大，最大接觸應(yīng)力和等效應(yīng)力均增大，隨密封槽尺寸的增加等效應(yīng)力減小，最大接觸應(yīng)力先減小后增大；文獻(xiàn)［5］建立輪轂軸承單元密封圈有限元模型，分析密封圈參數(shù)對其密封性能的影響，結(jié)果表明軸向過盈量對唇形密封圈的密封性能影響較大；文獻(xiàn)［6?7］介紹了輪轂軸承單元密封圈失效分析方法以及失效的多種原因；文獻(xiàn)［8?9］基于流體力學(xué)仿真，對徑向直通式迷宮密封和徑向迷宮密封齒形角進(jìn)行研究，認(rèn)為泄漏量主要受齒形角、間隙寬度、空腔深度和空腔數(shù)量的影響；文獻(xiàn)［10］對輪轂軸承單元單體密封試驗機(jī)中泥漿配比進(jìn)行研究，提出泥漿輸入管道內(nèi)泥漿顆粒沉積量的測量方法，并給出最小泥漿流量。

上述文獻(xiàn)對汽車輪轂軸承單元密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，但關(guān)于密封圈可能帶來的異響研究較少。因此，本文針對某車型汽車輪轂軸承單元在路試過程中出現(xiàn)輕微異響的問題，分析其原因并提出相應(yīng)的解決方案。

1 汽車輪轂軸承單元組合式密封異響原因分析

1.1 密封試驗

某車型路試三臺車在低速行駛過程中左前輪的輪轂軸承單元均出現(xiàn)異響，車輛里程為1000 km。拆解異響輪轂軸承單元，通過臺架試驗仍能完全復(fù)現(xiàn)路試的異響故障。該輪轂軸承單元密封結(jié)構(gòu)如圖1 所示，1#，2#，3#車采用原密封結(jié)構(gòu)均出現(xiàn)異響， 2#車拆除磁性密封圈后異響消除。

圖1 原組合式密封結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of original combined seal

1.2 異響原因分析

為分析異響原因，建立有限元模型模擬密封圈合套過程，如圖2 所示，橡膠材料設(shè)置為同種非線性材料。將磁性密封圈和橡膠密封圈通過軸向移動直接合套，仿真結(jié)果如圖3所示：由于唇口2與磁性密封圈骨架端面接觸后未及時回彈，導(dǎo)致其僅部分位置恢復(fù)正常合套狀態(tài)，骨架尖角擠壓導(dǎo)致唇口2 發(fā)生卷邊。在軸承運行過程中，唇口2 與骨架表面粗糙的尖角部位摩擦，導(dǎo)致輪轂軸承單元發(fā)生異響同時發(fā)熱，影響軸承壽命。而在拆除磁性密封圈后，唇口2不再與骨架摩擦，異響消除。

圖2 原組合式密封圈有限元網(wǎng)格模型Fig.2 Finite element mesh model of original combined seal

圖3 原組合式密封圈合套過程仿真結(jié)果Fig.3 Simulation result of assembly process for original combined seal

原組合式密封正常件與異響件的形貌如圖4所示：正常件合套后端面平整，密封唇口正常貼合在骨架上；而異響件唇口發(fā)生卷邊，導(dǎo)致密封圈合套后出現(xiàn)凸起，端面發(fā)生傾斜。這與仿真結(jié)果吻合，故認(rèn)為原密封結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異響是由于密封圈合套時發(fā)生卷邊。

圖4 原組合式密封正常件與異響件的形貌Fig.4 Appearance of original qualified and abnormal combined seal

2 密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)及合套工藝優(yōu)化

2.1 密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)

在試裝過程中發(fā)現(xiàn)，原密封結(jié)構(gòu)部分正常合套的密封圈，盡管唇口2 能夠裝入磁性密封圈，但由于磁性密封圈較薄，唇口2 也易脫出，故對原密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，如圖5 所示：新密封結(jié)構(gòu)唇口2，3均安裝在磁性密封圈骨架上，與磁性密封圈骨架圓周表面接觸，可有效避免唇口2脫出。

圖5 新組合式密封結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure diagram of new combined seal

2.2 合套工藝優(yōu)化

設(shè)計的合套工裝如圖6所示，合套前在密封圈唇口涂抹潤滑脂，先借助工裝將唇口2，3脹開至高于磁性密封圈配合面，再裝入磁性密封圈，抽出工裝，完成合套。

圖6 使用工裝合套示意圖Fig.6 Diagram of assembly using tooling

2.3 仿真分析

建立新密封結(jié)構(gòu)有限元模型模擬密封圈合套過程，如圖7所示，唇口2未發(fā)生卷邊，合套率提高。

圖7 密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)及合套工藝優(yōu)化后合套過程仿真結(jié)果Fig.7 Simulation result of assembly process after improving structure of seal and optimizing assembly process

3 試驗驗證

對汽車輪轂軸承單元進(jìn)行泥水耐久性試驗，試驗機(jī)結(jié)構(gòu)如圖8 所示，泥水配比參考標(biāo)準(zhǔn)JIS Z 8901：2006《試験用粉體及び試験用粒子》，泥水配比為10∶90，噴嘴管徑為12.7 mm，流速為3 ～5 L/min，2個噴嘴分別對著兩側(cè)密封圈，噴水方向與水平方向呈45°，噴水口距離密封圈60 mm±10 mm。試驗工況見表1，連續(xù)運行500 h（即250個循環(huán)）。

表1 汽車輪轂軸承單元泥水耐久性試驗工況Tab.1 Mud water durability test conditions for automobile hub bearing units

圖8 泥水耐久性試驗機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure of mud water durability tester

經(jīng)泥水耐久性試驗的軸承如圖9所示，無明顯進(jìn)水痕跡，油脂顏色正常，密封圈無異常磨損，各零件無損壞，采用卡爾費休法測量潤滑脂含水率低于3%，滿足泥水耐久性試驗要求。

圖9 經(jīng)泥水耐久性試驗的汽車輪轂軸承單元Fig.9 Automobile hub bearing units for mud water durability test

4 結(jié)束語

針對某汽車輪轂軸承單元在路試過程中出現(xiàn)輕微異響的問題，分析其主要原因為組合式密封圈合套過程中徑向唇口發(fā)生卷邊，造成徑向唇口與骨架尖角摩擦，故對密封圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)并優(yōu)化合套工藝。拆解泥水耐久試驗后的軸承，密封效果良好，未出現(xiàn)異常，且采用新密封圈結(jié)構(gòu)的汽車輪轂軸承單元裝車使用后未出現(xiàn)異響。