汽车轮毂轴承，汽车轮毂轴承单元装配工艺与演变：从第1代到第3代的发展历程

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    汽车轮毂轴承的摇辗成形

    [美]Jake

    1 引言

    大多数汽车轮毂轴承单元被永久性装配进完整的轮毂组件里。这些单元精度高。并且要求装配过程精确可控。轮毂单元中能使用几类轴承。其中包括球轴承。还有滚子轴承（圆锥滚子轴承）。不管使用哪类轴承。车轴与轴承的装配方式都有共同的考虑要点。采用一种紧固方式将其紧固在一起，这种紧固方式不会因疲劳而松动。这种工艺有助于控制轴承预载荷，还能减少材料的非预期变形。这对安装在车辆上的轴承/轮毂单元的功能和寿命很关键。在汽车工业所需大量零件生产中执行此操作时，让装配过程以经济高效的方式符合标准也极为重要

    之前的工作阐述了轮毂轴承在过去五十多年间的演变。汽车轮毂轴承历经发展，从第1代演进至第3代。具体情况如下，且如图1所示。

    图1 第1—3代轮毂轴承

    第1代：整体式双列轴承。在汽车装配的后期组装到轮毂组件。

    第2代：轮毂单元，包括轮毂轴承，外圈带凸缘。

    第3代：完整的轮毂装配概念与第2代相同，但内外圈均带凸缘。

    许多第二代和第三代单元完成了从螺纹车轴和螺母到成形唇口的转变。这在一定程度上削减了总成里的零件数量。减轻了质量。还实现了性能优势。这些成形唇口的功能优势会在后面描述。

    许多先前工作围绕第2代和第3代轮毂单元装配的有限元法分析。许多先前工作围绕第2代和第3代轮毂单元装配的仿真结果。讨论这些零件装配的有限元法时。本文简要介绍摇辗成形这一装配工艺优点。

    本文会进一步阐述摇辗成形。还会说明为何它被视作轮毂轴承单元的最优装配工艺。接下来会详细介绍成形零件设计里的重要考量因素。尤其是期望的预成形唇形。以及用于完成装配过程的设备和技术。对设备的探讨涵盖了已成功开展工作的演变。包括主要优点。以及未来可采取哪些举措来优化装配过程

    2 为何采用摇辗成形

    在开始阐述为何采用摇辗成形之前，回顾摇辗成形是什么很关键。摇辗成形又叫摇辗铆接。它是一种冷成形工艺。使用保持固定角度（通常是3°至6°）的锤头工具。在零件周围形成一条压力扫掠线。随着每次旋转逐渐让材料成形。如图2所示。

    图2 轮毂轴承内轴的摇辗成形

    这种扫掠接触线形成。其角度具备机械优势。摇辗成形只需约为标准压力20%的力就能形成相同零件。这极大减小了零件装配中产生的应力。进而允许材料在离起始直径更远的地方成形。同时能保持良好的表面粗糙度。还减小了材料开裂的可能性。同时 所需的成形力较小 只需较小的机器就能完成同样工作 占用空间小 投入资金少 模具寿命长 成形控制精度高

    摇辗成形的优点被直接运用到轮毂轴承的装配里。在该受控过程中进行成形时，轴承的内轴能够进一步成形。并且不会导致内轴材料断裂。这种工艺与适当的工具设计相结合。把成形定位在凸缘上。可避免柄部沿内轴膨胀。而这种膨胀对轴承性能是有害的。摇辗成形还容许精确成形。从而实现轴承预载荷的预定范围。控制预载荷的能力对轴承功能和寿命十分关键。这是永久性装配过程。这种预载荷方法以及轴承寿命期内预载荷的一致性，和之前常见的螺纹车轴与螺母装配方法相比优势明显。后者在轴承寿命期内可能松动，会致使在应用中提前失效。能形成内轴。无需螺纹或螺母。所以成本更低。质量更轻。这是主要考虑的因素和要求。因为汽车制造商一直被要求以更低成本生产更轻量化产品

    3 零件设计考虑的因素

   

    锤头从零件内径向外形成唇部的这种成形应用，被称作孔眼成形或摇辗扩口。轮毂轴承装配的成形，通常就是这种孔眼式摇辗成形。在传统的孔眼式成形应用里，保持力是主要目标，也是唯一目标。唇部翻边超过水平线，只在形状的最外部接触。这种几何形状的成形，能让简单的预成形零件设计实现零件固定典型的孔眼摇辗成形横截面和接触如图3所示。

    图3 典型的孔眼成形翻边

    对于轮毂轴承的摇辗成形，目标之一是产生一定程度的保持力。目标之二是施加特定的持久预载荷。这种成形的几何形状要在汽车轮毂轴承的挑战性条件下保持。这种成形的预载荷也要在汽车轮毂轴承的挑战性条件下保持。这种成形的几何形状要在汽车轮毂轴承的磨损下保持。这种成形的预载荷也要在汽车轮毂轴承的磨损下保持。为实现这一目标，孔眼式成形需要以调整的方式应用

    为此 内轴的成形唇缘在内圈上要有最小量的平面接触 这种接触要以尽可能接近完全线接触的方式进行 如图4所示

    图4 线接触的轮毂轴承孔眼成形

    该平面长度针对每个轴承组件而言是特定的。它取决于该应用所需的保持力。还取决于该应用所需的预载荷。在出现裂纹前。材料可变形的程度是有限制的。材料可移动的距离是有限制的。所用材料的类型有帮助。设计更特殊的唇形有帮助。二者有助于将材料成形为更大直径。同时能提高保持力。还能提高预载荷。通常在两类材料间存在权衡。一类是更容易进一步成形而不断裂的材料。另一类是直接转化为保持强度的硬材料。这些多重变量需要进行测试。不同的基础零件几何形状也需要进行测试。测试的目的是确认可达到所需的形状标准。

    摇辗成形过程中会产生摆动侧向载荷。这是零件设计时重要的考虑因素。成角度的工具能提供机械优势。还能减小所需的垂向成形力。不过角度也会产生这种侧向载荷。侧向载荷会随着成形工具角度增加而增加。对于6°成形工具。侧向载荷可达10%（见图5）

    图5 工具角度产生的侧向载荷

    对于轮毂轴承应用 保持内圈或轴承端面有所需预载荷 且不破坏内圈或球/滚子很关键 即便内圈无明显移位 也可能出现布氏压痕现象 进而导致功能问题和轴承提前失效 摇辗成形产生的侧向载荷带来应用挑战 必须靠零件设计 机械成形方法和机械加工方法解决预成形唇形的设计是这一考虑的主要部分。

    唇形的复杂性会依据零件的几何形状以及内圈的厚度而产生变化。对于那些与内圈相比有着较小成形/保持力需求的设计而言，在不损坏内圈的情形下，基本的直壁唇形是可行的。此几何形状在成形前、后的示例如图6所示。从理论方面来讲，这显示出内轴的成形唇缘怎样在整个成形长度范围内与内圈相接触。

    图6 直唇内轴

    然而，对许多应用而言，需要更复杂唇形。这是为了在翻边处产生过渡。同时还要允许大量材料，以最大化内圈接触。进而保持轴承并提供所需预载荷。用成形前、后简化的过渡唇形说明该概念，如图7所示。通常，带过渡的唇形比所示的更复杂。但这种设计是特定应用所需。

    图7 过渡的内轴唇

    4 设备考虑的因素

    摇辗铆接被认定为理想工艺。还采取了恰当的零件设计考虑因素。接下来要确定设备。这些设备用于生产满足汽车应用需求的大量优质零件。

   

    这些考虑因素里的第一个是零件夹持方式。和多数摇辗成形应用相同，尽可能紧地夹持零件很关键。同时便于装载和卸载也很关键。要是零件可移动，摇辗工具在成形时会跟随零件。这样成形就会失去部分或全部优势。并且使零件成形需要更大的力。轮毂轴承几何形状严格定位在下部工具支承上。支承位置远离成形位置。这为侧向受载创建了一个大杠杆。杠杆长度是图8中的尺寸X。为克服这点。可在上部工具使用大压板或零件夹具。以便在成形时牢牢固定零件。这些零件夹具压紧力（图中F）从1kN到最大45kN。

    图8 下支承到成形的距离和压紧夹具

    一旦零件定位稳固且一致，下一个主要考虑因素就是怎样应用和控制成形工具。这种上部工具定位方法的主要变量包括如何确定行程末端位置。还包括如何确定进给方式。也包括如何进行进给速度控制。以及如何确定转速。

    转速是设备极为直接的考虑要点。能借助变频驱动控制的标准交流感应电动机或者伺服主轴电动机达成对转速更精准的控制。几乎不存在证据表明，也没有预期显示：伺服主轴的先进控制会带来更好的成形效果。

    控制上部工具行程末端位置的主要选项有，成形到一个设定位置，通常这是一个硬限位；成形到一个力；成形到一个从零件上某个位置定义的偏移量。从图8能知道，在夹具系统位置与成形表面之间的布局里有许多零件。单个零件的公差一般都很严格。不过零件经过组装后，组成的系统的高度会有一个范围。成形到设定距离时，硬限位会在成形和预载荷方面引发变化。这是因零件组装存在误差累计。成形到一个力能产生更好结果。因为工具成形至内轴安装的测力传感器达到设定力时，可排除误差累计的变化。若内轴凸出材料的距离与体积一致，便会产生非常一致的结果该设定力能够调节。它与机器设置时状况良好的零件有关。控制上部工具行程的最后一个选项是，在成形过程中测量零件上的位置。之后将其成形到规定的偏移量。

    成形进给方式有多种选择需要考虑。速度控制也有多种选择需要考虑。进给方式选项包含气动、液压和伺服驱动。气动成形存在挑战。气压有限制。供气不一致会致使速度变化。空气具有可压缩性。这会导致整个成形过程中成形速度发生变化。所以气动成形成为成形大多数轮毂轴承不太理想的方法液压能使这些零件所需的力更大。因为设定流量以及液压流体较低的可压缩性，会有更一致的成形速度。使用带液压轨道动力头的伺服比例溢流阀，能提供极其一致的速度结果。最后进给选项是伺服驱动的推力。这一般是大型伺服电动机结合精密滚珠丝杠来产生推力。该选项为最佳进给方式和速度控制结果，提供了最一致的速度与灵活性。

    确定主要设备变量并概述各变量选项后，接下来要从设备角度探讨已完成的工作以及潜在的设备改进内容。气动机构和/或成形到规定位置或硬限位的机构通常并非这些轴承成形应用的最佳方案，无需花费时间讨论。将从带有测力传感器和距离传感器的液压摇辗铆接机的基础机构着手。该机构由程序控制，会把成形头进给到接触点或最小力。一旦达到最小力，它便以设定速率增加成形压力，直到达到所需成形力。如前面所说，这种成形力对成形结果的一致性有很大优势。此方法的缺点是，施压过程比传统成形到停止所需周期更长，而且很难达到精确的力机构会逐步靠近移动的目标。这是因为机构会根据力反馈作出反应，以此来增加或保持压力。施压越慢就越接近目标。同样，更慢的施压意味着周期时间更长，在零件上的时间也更长。这可能会产生负面影响，比如零件出现加工硬化、断裂，以及工具出现额外磨损。

    下一代机构会采用相同的机械方案。还会增加伺服比例溢流阀。这能对力的施压进行更精确的控制。也能有更精确的响应。在可能更短的成形周期时间里。产生更接近目标的成形结果。

    抛开液压机构，转到伺服驱动机构，这显著改变了机构方式。这些机构有测力传感器，用来提供成形力反馈。然而，这些机构通常不会依据力来进行成形。相反，它们利用伺服系统的精确控制，以及零件或夹具的已知测量值，以精确速度成形到特定位置。零件上预先测量的位置，能是要成形的唇部顶部。也能是要成形到的内圈。还能是轴承端面。测力传感器用来验证成形力是否在规定范围。该过程的结果是，施加已知的力。以已知的进给速度。成形到已知位置。

    对于上述每种机构选项 都有能大大改善效果的工具和夹具选项 零件夹持是一种主要因素 正如本节开始时所讨论的 零件的夹紧 可通过一个安装在大的上部工具上的压板完成 可通过一个在进给行程中接触零件并通过模具弹簧施加力的部件完成 还可通过一个单独驱动的零件夹具完成弹簧能提供的力大小有限。且在压板上仍要有所需行程。所以高载荷夹持应用需升级为零件夹具。

    这些机构的另一个主要考虑事项是，在成形过程中采用主动夹具。这么做是为了防止轴承中的球出现布氏压痕。这种固定方式能让轴承套圈在成形过程中摆动。球在成形时的这种运动，减少了发生布氏压痕的可能性，还提高了最终零件的质量。

    最后要讨论的主题是可为设备采取哪些潜在改进措施。过去几年伺服驱动铆接机不断发展并得到应用。在其他应用中能见到的最大好处之一是可快速适应来自过程的反馈。这种在与最终零件某种质量度量相关的过程中进行调整的方式具有巨大价值。对于旋转部件比如汽车轮毂轴承来说。这些关键特性之一通常是旋转力矩。下一步会应用伺服驱动铆接机。它具备所需的零件夹紧水平以及摆动夹具。零件成形后，零件转动能力能和力矩传感器关联。借此测量并确保最终成形轴承的旋转力矩在规定范围。若不在所需范围，可再次成形零件来达到所需力矩。还需进一步研究，用以确认再次成形零件对预载荷和其他关键特性的影响能够收集所有这些机构过程信息。还能收集零件力矩数据。这些数据可供参考。借此了解任何现场早期失效情况。

    5 结束语

    本文回顾了轮毂轴承的摇辗成形。先介绍何为摇辗成形，再阐述为何采用摇辗成形组装轮毂轴承有优势，接着说明摇辗成形轮毂轴承的零件设计考虑因素有哪些，还提及设备考虑因素、方案，以及对批量生产轮毂轴承的益处。此外，探讨了先进设备的潜在改进措施，也就是主动反馈的机械可成形到已知轴承力矩的理念。未来要开展的工作有这些。要对不同先进机器展开研究。这些机器是之前概述过的。还要比较确定的质量或性能参数。通过这样做来量化每种机械配置的优势与能力。

    End

    参考文献(略)

      of  Wheel

    翻译自《.J.&Curr.Prac.》，2020年，第2卷第2期，第887至891页

    翻译：曾献智 校对：高武正