汽車輪轂軸承失效模式與分析方法

羅彤，黃德杰，王建華,王青娣，陳松海

(浙江萬向精工有限公司，杭州 311215)

轎車輪轂軸承是汽車底盤上的一個(gè)重要組件，其是否能夠平穩(wěn)可靠地運(yùn)轉(zhuǎn)直接關(guān)系到行車的安全。普通軸承失效模式識(shí)別和分析方法的研究已有相關(guān)學(xué)者做過大量的工作[1-4]。而輪轂軸承的失效分析起步較晚，近年來隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展而逐漸受到重視。文獻(xiàn)[5]對(duì)輪轂軸承載荷譜和失效機(jī)理做了深入探索。文獻(xiàn)[6-7]分別就輪轂軸承的失效分析步驟及其對(duì)策與診斷方法進(jìn)行了研究。

由于輪轂軸承失效模式多種多樣，且相關(guān)研究工作存在一定的局限性，故在輪轂軸承開發(fā)階段就需要進(jìn)行各種性能試驗(yàn)，通過早期失效分析，找出其失效原因，為改善輪轂軸承的品質(zhì)提供參考。

1 性能試驗(yàn)范圍

輪轂軸承開發(fā)驗(yàn)證的臺(tái)架試驗(yàn)包括：一般耐久性試驗(yàn)、高速耐久性試驗(yàn)、疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)、密封試驗(yàn)、剛性試驗(yàn)、動(dòng)摩擦試驗(yàn)及沖擊試驗(yàn)等。設(shè)計(jì)的樣品只有順利通過臺(tái)架試驗(yàn)，才能在主機(jī)廠所指定的路試場(chǎng)進(jìn)行道路試驗(yàn)。道路試驗(yàn)綜合了臺(tái)架試驗(yàn)的各種考評(píng)項(xiàng)目，能夠真實(shí)反映實(shí)際工況。不同的主機(jī)廠有各自的臺(tái)架試驗(yàn)和道路試驗(yàn)規(guī)范，并明確了評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)試驗(yàn)樣品沒有達(dá)到試驗(yàn)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求時(shí)，認(rèn)為樣品發(fā)生了早期失效，該樣品便屬于失效分析的對(duì)象，需查找出失效的原因。

2 失效模式

根據(jù)國(guó)內(nèi)、外著名軸承廠商，如洛陽(yáng)軸研科技，浙江萬向精工，SKF，F(xiàn)AG，NSK及NTN等的統(tǒng)計(jì)，輪轂軸承早期失效模式有腐蝕、壓痕、燒傷、裂紋和剝落等多種，現(xiàn)大致歸納如圖1所示[6]。

圖1 輪轂軸承一般失效模式

通過大量失效分析工作的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，同一種失效模式可能是由不同的單一原因引起的，也可能是由各種原因綜合作用的結(jié)果，因此，為分析輪轂軸承的失效機(jī)理，需要具備較全面的分析手段。

3 失效分析過程

開發(fā)階段輪轂軸承的早期失效，即圖1所示的各種失效模式通常來源于5個(gè)方面：(1)產(chǎn)品設(shè)計(jì)不合理；(2)工藝過程未能保證設(shè)計(jì)要求；(3)試驗(yàn)設(shè)備不穩(wěn)定；(4)軸承安裝不當(dāng)；(5)工作載荷過大，超出產(chǎn)品承受能力。針對(duì)這些方面，一般的分析過程如下。

3.1 原始信息收集

當(dāng)失效軸承被委托給分析室進(jìn)行分析時(shí)，非常重要的一環(huán)是分析者首先要收集失效件的原始信息。原始信息一般包括：設(shè)計(jì)圖紙、工藝圖紙、車型參數(shù)、試驗(yàn)規(guī)范、試驗(yàn)設(shè)備、工裝信息、失效時(shí)試驗(yàn)員所做的軸承異常運(yùn)轉(zhuǎn)情況記錄及失效樣品原始檢測(cè)報(bào)告。其中失效樣品原始檢測(cè)報(bào)告應(yīng)包括輪轂軸承組件中各零件(外圈、內(nèi)圈、鋼球、密封圈、保持架和潤(rùn)滑脂)的材質(zhì)報(bào)告和相關(guān)尺寸檢測(cè)報(bào)告、裝配件的相關(guān)檢測(cè)結(jié)果等。由于失效件的原始狀態(tài)已經(jīng)受到極大破壞，故原始信息的收集對(duì)分析者非常重要，可以說收集信息的完備性決定著分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.2 設(shè)計(jì)確認(rèn)

設(shè)計(jì)確認(rèn)的目的在于以現(xiàn)行輪轂軸承行業(yè)的水準(zhǔn)來評(píng)判軸承設(shè)計(jì)的合理性。為完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)確認(rèn)，分析者需要對(duì)輪轂軸承設(shè)計(jì)理論[8]有一定深度的了解，并能夠運(yùn)用一些輔助工具，如數(shù)學(xué)計(jì)算方法、小程序編譯，相關(guān)輔助軟件MATALAB，ANSYS，ABAQUS及MSC.FATIGUE等；根據(jù)所提供的設(shè)計(jì)圖紙和試驗(yàn)載荷譜信息[9]，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師所完成的設(shè)計(jì)進(jìn)行確認(rèn)。需要確認(rèn)的項(xiàng)目包括：負(fù)游隙、靜強(qiáng)度、剛性、滾道疲勞壽命、滾道擋邊高、接觸應(yīng)力、疲勞強(qiáng)度和密封結(jié)構(gòu)等。

由于目前廣泛應(yīng)用的第1代、第2代和第3代輪轂軸承結(jié)構(gòu)大不相同，故在設(shè)計(jì)確認(rèn)上也會(huì)存在一定的差異。第1代、第2代和第3代輪轂軸承的裝車差異如圖2所示。相比于第1代，集成程度較高的第2代和第3代軸承存在與凸緣心軸及轉(zhuǎn)向節(jié)的配合，由于其通過鎖緊螺母進(jìn)行預(yù)緊，因此會(huì)影響到最終的裝車游隙。游隙的設(shè)計(jì)應(yīng)以最終裝車狀態(tài)的游隙作為目標(biāo)，通常裝車狀態(tài)的理想游隙為-0.03～-0.06 mm。

圖2 三代輪轂軸承裝配差異(游隙影響方式差異)

以帶凸緣的第2代或第3代輪轂軸承為例，有些確認(rèn)項(xiàng)是相互矛盾的。在客戶要求輪轂軸承質(zhì)量控制在某一特定量的前提下，需要在滾道疲勞壽命與所需強(qiáng)度間進(jìn)行有效的平衡。通過增大鋼球尺寸提高額定動(dòng)載荷來強(qiáng)化滾道疲勞壽命就會(huì)降低軸承的強(qiáng)度，此時(shí)，應(yīng)把軸承強(qiáng)度放在首位考慮，其屬于關(guān)乎安全性的重要項(xiàng)目。

3.3 工藝過程確認(rèn)

在確定產(chǎn)品無設(shè)計(jì)缺陷后，需要以設(shè)計(jì)圖紙和企業(yè)規(guī)范作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行工藝過程確認(rèn)，以明確設(shè)計(jì)是否得到保證。對(duì)于軸承制造商而言，輪轂軸承套圈材料、密封圈和保持架一般為外購(gòu)件，套圈較關(guān)鍵的終加工工藝則由軸承制造商完成。工藝過程確認(rèn)主要以相關(guān)檢測(cè)報(bào)告為基礎(chǔ)，根據(jù)檢測(cè)報(bào)告逐一核實(shí)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。需要核實(shí)的項(xiàng)目主要有：

(1)原材料信息。所提供的鋼材一般為熱軋狀態(tài)，需要對(duì)材料的元素成分、氧含量、非金屬夾雜物、晶粒度及力學(xué)性能做出核實(shí)。

(2)熱處理信息。原材料在加工過程中進(jìn)行的相關(guān)熱處理，如正火和淬火，需要核實(shí)其基體和滾道的組織、硬度(梯度)及鍛造流線是否滿足要求。

(3)成品零件尺寸。包括滾道溝曲率半徑、溝徑、溝間距、圓度、輪廓度、表面粗糙度、密封口徑及其圓度、密封圈各唇口配合直徑、唇口結(jié)構(gòu)尺寸、滾道擋邊高度和重要外輪廓尺寸等的核實(shí)。

(4)外購(gòu)件特性。查看外購(gòu)件的檢測(cè)報(bào)告，確認(rèn)其是否滿足使用要求。如密封圈的材質(zhì)、拉伸特性、硬度，潤(rùn)滑脂的九大性能指標(biāo)——黏度、高低溫性能、極壓性與抗磨性、抗水性、防腐性、膠體安定性、氧化安定性和機(jī)械安定性[10]。

(5)裝配件檢測(cè)結(jié)果。裝配件的游隙和凸緣跳動(dòng)均會(huì)對(duì)軸承滾道壽命產(chǎn)生較大影響；裝配件壓裝密封圈的平行差會(huì)影響到產(chǎn)品的密封性能，故均需要核實(shí)其是否滿足設(shè)計(jì)要求。

在設(shè)計(jì)得到確認(rèn)、失效樣品原始狀態(tài)的工藝信息核實(shí)無誤及試驗(yàn)過程狀態(tài)明確的前提下，基本能夠推斷出輪轂軸承是否具備通過各項(xiàng)性能試驗(yàn)的能力。

3.4 分析流程

分析者接到失效件后，需要對(duì)失效件做相應(yīng)的處理，從失效件的失效模式和損傷痕跡，并結(jié)合設(shè)計(jì)及工藝過程明確失效的原因。失效件在試驗(yàn)前的原始狀態(tài)通過收集的數(shù)據(jù)得到分析后，對(duì)試驗(yàn)失效件也要進(jìn)行一些輔助檢測(cè)，旨在對(duì)比試驗(yàn)前、后及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)之間的差異程度。如果有差異，還需確定差異是否在可接受范圍；如果某項(xiàng)指標(biāo)不在經(jīng)驗(yàn)值范圍內(nèi)，則應(yīng)作為失效的關(guān)注點(diǎn)有所側(cè)重。

失效軸承檢查分析流程和所用儀器見表1。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)。針對(duì)某型號(hào)輪轂軸承進(jìn)行的失效分析項(xiàng)目，即表1中的實(shí)施項(xiàng)目并非全部為必須的，而是需要根據(jù)逐步的觀察、分析確定。有些失效原因能夠較早、較容易被發(fā)現(xiàn)，而有些則較復(fù)雜，隱藏較深，基本要經(jīng)歷整個(gè)過程才能夠發(fā)現(xiàn)。

表1 失效軸承檢查分析過程

4 分析案例

以M型輪轂軸承為例，安裝于路試車輛上進(jìn)行道路試驗(yàn)。車輛行駛64 000 km(要求100 000 km)后左前輪出現(xiàn)異常聲。經(jīng)拆套發(fā)現(xiàn)：外圈滾道外側(cè)剝落，潤(rùn)滑脂變成棕黃色。按照上述流程逐步檢測(cè)排查，最終確定為軸承密封失效。軸承密封失效分析的主要信息如下。

4.1 潤(rùn)滑脂含水率

按照卡爾費(fèi)休法對(duì)提取的潤(rùn)滑脂含水率進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)其含水率嚴(yán)重超標(biāo)，檢測(cè)結(jié)果見表2。

表2 含水率檢測(cè)結(jié)果 w,%

4.2 溝道剝落

通過觀察軸承溝道情況(圖3)發(fā)現(xiàn)，的確是軸承密封發(fā)生了失效，導(dǎo)致泥水侵入軸承中，引起軸承潤(rùn)滑不良，最終導(dǎo)致溝道產(chǎn)生早期剝落。

圖3 溝道磨損圖片

4.3 密封圈磨損

在體視鏡下對(duì)密封圈進(jìn)行放大觀察，發(fā)現(xiàn)外密封圈存在明顯的偏磨損情況(圖4a和圖4b)。對(duì)密封圈制樣后在工具顯微鏡下檢測(cè)其尺寸，也發(fā)現(xiàn)外密封圈存在偏磨損，圖4c和圖4d為密封圈上2個(gè)不同位置的磨損情況。

圖4 密封圈磨損情況

通過查看同批裝車的外密封圈尺寸檢測(cè)報(bào)告可知，密封圈尺寸精度較好，符合要求。通過了解外密封圈的壓裝過程，經(jīng)分析最終判定為外密封圈存在壓裝歪斜，導(dǎo)致平行差不好，使泥水經(jīng)由密封圈縫隙侵入到軸承中，導(dǎo)致軸承提前失效。

為此，建議針對(duì)存在的超差問題改進(jìn)密封圈壓裝裝置，并且產(chǎn)品由抽檢改為全檢，確保外密封圈壓裝平行差符合要求。

5 結(jié)束語

對(duì)輪轂軸承開發(fā)階段涉及的各種性能試驗(yàn)及失效模式進(jìn)行了歸納梳理，詳細(xì)介紹了輪轂軸承失效分析的步驟與方法，并以某一密封失效的分析案例進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，該分析方法可為相關(guān)人員開展軸承失效模式的機(jī)理研究提供參考。