商用车FAG轮毂轴承单元合装工艺改进

2022-11-23 07:19常艳昌翟剑峰欧阳沐坤唐林明
汽车实用技术 2022年21期
关键词:油封内圈轮毂

黄 展,常艳昌,邴 浩,翟剑峰,欧阳沐坤,唐林明,刘 刚

商用车FAG轮毂轴承单元合装工艺改进

黄 展,常艳昌,邴 浩,翟剑峰,欧阳沐坤,唐林明,刘 刚

(湖北三环车桥有限公司,湖北 襄阳 441700)

轮毂轴承主要作用是承重,并为轮毂的转动提供精确引导,它既承受轴向载荷又承受径向载荷,对汽车稳定性、轻量化、智能化有着重要影响。文章主要介绍FAG轮毂轴承单元在轮毂合装时的工艺改进方案及其新式压头设计。通过对某公司普通轮毂结构和FAG轮毂轴承单元结构进行分析,在满足现有装配工艺的前提下,根据其结构特点对压头工装进行优化设计,分别从定位、装配方向、作业强度进行了分析和改进,设计出一款新式轴承压头,最终实现轮毂总成装配质量提高、生产效率提高、工人劳动强度降低的效果。在以后的工装设计时,可以借鉴精益化生产的设计思路来设计工装。

FAG轮毂轴承单元;装配工艺;工装设计;效率提升;商用车;优化设计

1 背景介绍

近年来,主机厂对整车的质量和成本管控要求越来越高,为此提出了轻量化、智能化、长周期或免维护、高性能等要求。轮毂轴承是汽车底盘上重要零部件之一,其主要作用是承重,并为轮毂的转动提供精确引导,它既承受轴向载荷又承受径向载荷,对汽车稳定性、轻量化、智能化有着重要影响[1]。目前汽车上所采用的轮毂轴承单元类型有普通轮毂轴承和免维护轮毂轴承单元。普通轮毂轴承由两套单独的圆锥滚子轴承组成,其结构如图1所示。该结构比较分散,轴承的安装、注油、密封以及游隙的调整都是在生产线完成,人为影响因素多,成本高、可靠性差。且在使用过程中密封效果不理想,轮毂内腔易进水、泥沙,从而导致轴承寿命降低,虽然国内车桥厂对该型号轮毂密封性能进行提升,但密封效果仍未满足免维护要求。免维护轮毂轴承单元实则属于第一代轮毂轴承单元,分为分体式轮毂轴承单元和整体式轮毂轴承单元,其结构如图2所示。

为了在车桥上体现出轻量化和免维护性能,湖北三环车桥有限公司近年在美国康迈免维护轮端的基础上又引进了德国斯凯孚FAG轮毂轴承单元,在整桥重量和性能上都得到极大的提升,目前FAG轮毂轴承单元已推广应用至TR4.2、TR5.6、TR7平台。

图1 普通轮毂轴承

图2 免维护轮毂轴承单元结构

我公司现FAG轮毂轴承单元装配时,需要依靠人工翻转两次轮毂总成,此操作步骤严重影响车间装配效率,增加了员工的劳动强度,不便于员工操作。并且油封压头采用手柄式结构,工装的定位能力和导向精度较差。考虑到公司现有发展战略,对节能降本、提高产品质量、提升装配效率提出更高要求,我公司重新对装配工艺做出优化和改进,并应用了新式压头,采用“一压两用”的方案,以达成提高生产效率、降低操作工劳动强度、提高装配质量的预期效果。

目前商用车轮毂轴承发展到现代已经经历了三代,国外主要使用第三代商用车轮毂轴承单元,而国内商用车轮毂轴承以第一代为主,部分为第二代。

第一代轮毂轴承单元是外圈整体式双列圆锥滚子轴承,它是由一个轴承外圈和两个轴承内圈组成,轴承内部加注润滑脂,其结构和实物如图3所示。该轴承单元可以应用在各种环境中,具有易安装、抗污染能力强、免维修、长寿命等优点。并且轴承单元在出厂时已通过尺寸链的计算来控制游隙,在装配过程中不需对游隙进行调整,按照规定力矩拧紧即可获得轴承最大使用寿命[1]。

第二代轮毂轴承单元是在第一代轮毂轴承单元的基础上,将轴承外圈与跟轴承相配合的零件即轮毂制成一体的结构型式,图4是其结构图和实物照片。第二代轮毂轴承的外圈带轮毂相对于第一代轮毂轴承其特点是重量较轻,装配部件数量较少易于安装,省去了轴承外圈压入轮毂的步骤[2]。

图4 第二代轮毂轴承单元结构

2 FAG轮毂轴承单元简介

德国舍弗勒集团成立于1883年,旗下拥有三大品牌:FAG、INA和LuK,是全球范围内提供滚动轴承和滑动轴承解决方案、直线和直接驱动技术的领导企业。舍弗勒FAG免维护轮毂轴承单元经过在欧洲、北美、南美、中亚、东南亚等世界范围内超过10年量产应用,都可实现百万公里以上的使用寿命。配备由舍弗勒设计验证的密封系统和润滑油脂,可保证在百万公里内无需更换[3]。

FAG轴承单元结构包括O型密封圈、内油封、内轴承、卡环、外轴承、外油封、润滑脂等,如图5所示。轮毂轴承结构如图6所示。其拥有以下特点:

(1)长寿命:寿命超过百万公里,书面质保3年50万公里;

(2)轴承单元结构更紧凑、系统集成化程度高、拆装便利;

(3)轻量化:单个轮毂总成可减重14 kg(与我公司TR5.6康迈轮端重量相比);

(4)低摩擦:优化滚道、滚子及密封结构,可降低摩擦40%~50%,降低油耗;

(5)高可靠性,国内外大批量成熟应用,有超过10年的市场验证。

1—O型密封圈;2—内油封;3—内轴承;4—卡环;5—外轴承。

图6 轮毂轴承结构示意图

3 现有FAG轮毂轴承单元合装工艺

此次FAG轮毂选用我公司型号为T5009,FAG轮毂轴承单元使用舍弗勒型号为F-805733,合装工序:(1)压装内、外轴承外圈;(2)压装车轮螺栓;(3)轮毂翻转180°;(4)放置内轴承内圈在支撑座上;(5)将外轴承内圈放入轮毂轴承中并安装卡环;(6)压装轮毂外油封;(7)轮毂翻转180°;(8)压装轮毂内油封;(9)装配制动防抱死系统(Antilock Brake System,ABS)齿圈。

装配工序共9步,示意图如图7所示。

图7 装备工序示意图

原FAG轮毂轴承单元合装时需要两次翻转,我司生产总部现有轮毂总成合装线采用人工翻转。翻转时操作工必须轻拿轻放轮毂总成,不得产生磕碰,员工劳动强度大,不便于FAG轮毂轴承单元流水线生产。需要增加2台翻转设备,考虑到工艺经济性,可参考我司北京分厂轮毂总成合装线的翻转设备,由于油封压装时压力较小,可在翻转平台上进行工序(4)—(6)步骤完成轮毂轴承合装和外油封压装。将两次翻转在同一台翻转设备中进行,可减少1台翻转设备,降低工艺成本。翻转设备如图8所示。

图8 轮毂翻转机

原工艺方案存在以下缺点:(1)整个工序需要依靠人工翻转两次轮毂总成,轮毂总成重量约33 kg,若不采用翻转设备,员工劳动强度大,操作不便。并且人工翻转时易产生磕碰,产品质量得不到保障;若采用翻转设备,增加了装配工艺成本。(2)油封压头采用手柄式结构,工装的定位能力和导向精度较差,采用敲击压头的方式进行装配,可靠性也较差。

4 装配工艺优化改进

4.1 新装配工艺流程

考虑到装配工艺的经济性,为减少工艺成本,降低操作人员劳动强度,我司确定新装配工艺,采用新式压头,将轴承内圈支撑座与油封压头组合一体,使整个装配过程取消了轮毂翻转。优化改进后装配工艺工序流程为(1)压装内、外轴承外圈;(2)压装车轮螺栓;(3)放置轮毂外油封及外轴承内圈于新式压头上正确就位;(4)放置轮毂于外轴承内圈上,使轮毂正确就位;(5)放置内轴承内圈及安装卡环;(6)压装轮毂外油封;(7)装配ABS齿圈。

装配工序共7步,示意图如图9所示。

4.2 新式压头工装设计

4.2.1工装的结构设计

新式压头工装将轴承内圈支撑座与油封压头组合一体,定位销头部用车床车出螺纹,使用螺母将上、下压头进行固定,可实现上、下轮毂油封同时压装。新式压头工装由5个零件组成:上压头、定位销、弹簧、下压头、定位块,如图10所示。

1—上压头;2—定位销;3—弹簧;4—下压头;5—定位快。

工作原理:油封压装时,上压头1下移,使轴承内圈与外圈接触并托起轮毂,通过轴承的内、外圈进行导向和定位,定位精度满足装配要求。上压头1和下压头4为滑动配合,两压头之间形成一个密闭的空腔,在压装过程中,不断压缩、排气和扩张、吸气,因为空气的阻尼作用,影响压头上升和下降的节拍。最终将上压头增加2个通气孔,保证在压装过程中,压头内腔与外界气压相通,消除空气阻尼[5]。

4.2.2工装各零部件配合尺寸设计

(1)下压头4下端内径尺寸与压力机下顶缸连接,采用间隙配合(0.2~0.4 mm);

(2)上压头1外径与下压头4内径之间需要上、下往复滑动,为保证轴承内圈和油封的装配精度,采用小间隙配合(0.10~0.15 mm);

(3)定位销2与上压头1和下压头4连接,其中与上压头1采用间隙配合(0.15~0.20 mm),保证导向精度,与下压头4采用过盈配合,保证连接牢固;

(4)上压头1轴承安装止口与轴承内圈连接,采用小间隙配合(0.10~0.20 mm),保证轴承内圈的定位精度[7]。

4.2.3工装受力后的位移分析

将轮毂放在工装上,在不受其他外力的情况下,由于轮毂自身重力压缩弹簧,从而导致上压头1和下压头4的相对位移减少。为确保下压头4在上行过程中,油封不与轮毂安装油封位接触,需确保弹簧变形量小于下压头到油封安装孔口的距离,且有一定的安全余量,如图11所示。

4.2.4圆柱压缩弹簧的选取

为保证上压头1在受压力作用向下移动时,受到弹簧给它均匀相反的弹力,选取4件弹簧,均匀分布在上压头1的内腔中。弹簧选用弹簧线径=3 mm,中径=20 mm,自由长度=50 mm,有效圈数=6.5,最大变形量=22 mm,弹簧刚度=15 N/mm[6],弹簧分布及弹簧如图12所示。

T5009轮毂总成自重33 kg,由弹簧弹力公式=··计算出弹簧受轮毂自重的压缩量[4]。为弹簧所受压力,这里取轮毂自身重力;为弹簧数量,这里取4;为弹簧刚度,取15 N/mm。

每个弹簧压缩量=/(·)=33×9.8÷(4×15)= 5.39 mm。各状态下压头位移情况如图13所示。

4.2.5工装设计注意事项

(1)为避免油封装配过程中下压头4位移量超过弹簧的最大变形量,设计下压头时最大位移量小于22 mm,如图13所示,当油封压装到位时弹簧压缩量为20+1=21 mm,小于弹簧的最大变形量22 mm,仍处在弹性变形内,不影响弹簧使用寿命;

(2)为避免在压头托起轮毂时,油封与轮毂端面接触,工装设计时应留一定的余量,初始状态下压头距轮毂端面的距离为21 mm,油封自身高度为7 mm,油封压入轮毂端面深度2.5 mm,托起轮毂后的弹簧压缩量为5.39,设计余量约为21− 7−2.5−5.39=6.11 mm,减少了油封装配前的磕碰、变形风险;

(3)为减少轮毂搬运到工装上的动作,降低劳动强度[8],设计工装时压头初始位置在工作台面以下,当轮毂移动到工装上方时,下顶缸上行顶起轮毂。待油封压装完毕,顶缸下行,工装退回到工作台以下,将搬运动作优化为推拉动作。

5 结论

本文主要对轮毂轴承单元合装工艺进行了简要介绍,通过对轴承单元结构特点对现有FAG轮毂轴承单元合装工艺进行评估,分别从定位、装配方向、作业强度方面对我公司现有工艺进行分析,设计出新式压头完成对FAG轮毂轴承单元合装工艺的改进和提升。具体优点如下:

(1)工艺可靠性好。下压头4和压力机下顶缸连接为小间隙配合,定位准确。上压头1和下压头4采用滑动配合,导向性好。轮毂与工装的导向、定位方式采用轴承内、外圈的锥面进行导向,导向定位可靠性高,工艺可行性好。

(2)劳动强度低。每件轮毂总成装配时,减少2个翻轮毂总成的动作,降低了劳动强度,消除了产品的磕碰,提高了产品的质量,减少工序作业时间,将翻转转化为简单的推拉动作。

(3)工艺成本低。原装配工艺方案要两次翻转轮毂总成,需增加1台翻转设备。而新式压头工装的应用,可取消翻转设备,减小设备投入,节约了制造成本。

在以后的生产中,工装的设计要充分考虑到员工的使用环境,要从实际出发,设法简化员工的操作动作,减轻员工的劳动强度,提高生产效率、降低生产制造成本。

[1] 刘汝卫,张钢,殷庆振,等.汽车轮毂轴承的发展现状及趋势[J].现代机械,2009(6):78-80.

[2] 宋祥峰.轮毂轴承的定义、分类和技术发展趋势[J].汽车实用技术,2018,42(12):178-180.

[3] 佚名.舍弗勒携最新技术和产品亮相上海车展[J].汽车零部件,2015(4):14.

[4] 李益民.机械制造工艺设计简明手册[M].北京:机械工业出版社,2011.

[5] 成大先.机械设计手册[M].5版.北京:化学工业出版社,2008.

[6] 中国机械工业联合会.普通圆柱螺旋压缩弹簧尺寸及参数(两端圈并紧磨平或制扁):GB/T 2089—2009 [S].北京:中国标准出版社,2009.

[7] 王宝玺,贾庆祥.汽车制作工艺学[M].3版.北京:机械工业出版社,2007.

[8] 魏夫忠,崔永.基于汽车总装工艺技术应用趋势与研究[J].科学中国人,2016(30):202.

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

U466

A

1671-7988(2022)21-143-08

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.021.027

黄展(1994—),男,工程师,研究方向为车桥装配工艺,E-mail:285923202@qq.com。

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