一種輪轂軸承耐水潤滑脂的開發

陳峰，劉軍，稻見宣行，橫內敦

(1.恩斯克(中國)研究開發有限公司，江蘇 昆山 215332；2.日本精工株式會社，神奈川 藤澤 251-8501)

1 前言

汽車輪轂軸承單元(圖1)起著支承車體，保證車輪順暢旋轉的作用，故對軸承可靠性有較高的要求[1-3]。實際應用中輪轂軸承的主要失效形式為異響，占總失效量的90%以上，而造成軸承異響的主要原因之一是水侵入到軸承內部，導致軸承產生異常磨損、銹蝕或者早期疲勞剝落[4-5]。

圖1 輪轂軸承單元及應用部位

針對水侵入軸承中引起的失效，以往主要的對策是強化密封圈，通過FEM解析優化密封唇形狀或者增加密封唇的數量提高密封性能。例如，NSK開發了如圖2所示的高密封性密封圈，其在現行三唇密封圈的基礎上增加了擋檐，并優化了密封唇形狀。但隨著汽車在全球，特別是新興國家的普及，汽車的行駛環境變得越來越復雜，在未鋪裝道路上行駛的概率大大增加。在車輛長期行駛在未鋪裝的泥濘道路上，或暴雨導致道路發生積水使水浸沒過軸承等極端惡劣的路況下，可能會有微量水分侵入到軸承內部，導致軸承出現異響。因此，當水侵入到軸承內部時，如何確保軸承的耐久性顯得越來越重要。

圖2 輪轂軸承單元用高密封性密封圈

對于脂潤滑軸承，水侵入導致軸承產生疲勞剝落的機理推論為：水分的侵入會減小滾動體與套圈之間潤滑油膜的厚度，導致滾動體與套圈間金屬發生直接接觸而產生磨損；水分會使滾道面非金屬夾雜物與基體間發生銹蝕，從而產生剝落；另外，水分分解產生的氫元素由表面滲入到金屬內部，這將加速疲勞剝落的形成[5-6]。

但至今為止，上述推論的工業應用尚不多見。文中通過控制該機理的影響因素，改變現有潤滑脂性能，開發出了耐水潤滑脂，并已投入市場使用，結果表明，耐水潤滑脂可達到延長侵水軸承壽命的目的。

2 試驗

2.1 EHL油膜厚度的測量

油膜厚度使用圖3所示的光干涉法油膜厚度測量裝置進行測量。在旋轉的玻璃盤下表面涂抹試驗用潤滑脂，在純滾動的情況下進行測量，通過鋼球正上方放置的CCD照相機拍攝鋼球(φ25.4 mm)與玻璃盤之間形成的干涉條紋，最后計算出油膜厚度。測量條件：環境溫度為室溫，滾動速度為0.13 m/s，滑移率為0 ，載荷為39.2 N (pmax=0.5 GPa)。

圖3 EHL油膜厚度測量裝置

2.2 氧化膜的影響

為了防止水分侵入導致軸承滾道表面銹蝕及水產生的氫元素向基體內部滲入，可在油脂內加入促進在金屬表面形成氧化膜的添加劑。試驗采用圖4所示四球試驗機，以驗證不同添加劑所形成氧化膜的厚度及對疲勞壽命的影響。試驗條件：潤滑脂中水的質量分數為20 %，pmax=4.1 GPa,轉速為1 200 r/min。

3 試驗結果及分析

3.1 水對油膜厚度的影響

選取3種不同特性的潤滑脂，采用圖3所示測量裝置，在2.1節所述測量條件下，測量潤滑脂無水和水的質量分數為20%時形成的油膜厚度。結果如圖5所示。

圖5 油膜厚度比與潤滑脂中水分分散程度的關系

圖5示出了油膜厚度比與水分在潤滑脂中分散程度的關系。油膜厚度比是指在相同試驗條件下，同一潤滑脂有水侵入時與無水時所形成油膜厚度之比。試驗表明，A和B脂中水分呈較大顆粒的水珠狀，對油膜厚度沒有明顯的影響，而C脂中的水分則分散在油脂之中，對油膜厚度產生了較大影響。A和B脂具有將侵入其內部的水分匯集成大顆粒水珠的特點，大顆粒水珠較易從潤滑脂中分離出來，不易侵入到油膜內部，故對油膜厚度影響較小。推測是由于A和B脂內部含有親水成分，有將水分匯集成較大水珠的功能，但有待進一步研究驗證。

3.2 氧化膜對壽命的影響

向A脂內分別加入添加劑D，E，F，試驗結束后使用AES法測量所形成的氧化膜厚度，結果如圖6所示。添加劑F在接觸表面形成的氧化膜最厚，約為A脂單獨形成氧化膜厚度的4倍。使用四球試驗機在2.2節所述試驗條件下進行了壽命驗證試驗，結果表明，較厚的氧化膜可有效延遲接觸表面疲勞剝落的發生，顯著提高軸承的使用壽命。圖7所示為A脂及其加入添加劑F后的接觸表面SEM照片，可以看出，加入添加劑F后在接觸表面形成了致密的氧化膜。

圖6 不同氧化膜厚度對軸承壽命的影響

圖7 接觸表面SEM照片

3.3 驗證試驗

驗證試驗對象為6017型成品軸承，同一種軸承裝用不同的潤滑脂進行試驗。試驗條件：轉速為1 000 r/min，滾道面最大接觸應力2.7 GPa，注水量約為4.3 mL/ h。試驗結果如圖8所示，可以看出，在潤滑脂中混入水的情況下，新開發潤滑脂(A脂+添加劑F)可使軸承的L50壽命延長約3倍以上。

圖8 軸承壽命試驗結果(Weibull圖)

4 結束語

通過對水侵入情況下造成汽車輪轂軸承接觸表面剝落影響因素的試驗分析，開發了具有耐水性能的潤滑脂。試驗及實際應用表明，在水侵入的情況下，新潤滑脂具有促使水分凝聚成大顆粒水珠、促進滾道面氧化膜形成的功能。通過維持油膜的厚度，避免滾道面銹蝕和氫元素的滲入，達到顯著延長軸承壽命的效果。