汽車傳動軸用軸承的抗泥漿復合密封結構設計與試驗

趙坤，蘇達士

(1．慈興集團有限公司 技術中心，浙江 寧波 315301；2．上海中隆軸承有限公司 技術中心，上海 214000)

汽車傳動軸用軸承作為重要零部件，其性能對汽車行駛性能影響很大。而軸承的密封失效往往是導致該類軸承使用壽命達不到要求的主要因素之一。為此，設計了惡劣環境下汽車傳動軸用6009W19軸承的抗泥漿密封結構。經批量使用，軸承密封結構性能良好，滿足使用要求。

1 汽車軸承的密封結構

1.1 防塵蓋

常規的防塵蓋為鋼板沖壓型，防塵蓋與動圈(一般指內圈)不接觸，留有較小的間隙，通常稱為非接觸式密封。因為有間隙，密封效果并不理想。

1.2 密封圈

密封圈一般由金屬骨架與橡膠制成，裝在靜圈(一般指外圈)上，為達到預期密封效果，與動圈通常有非接觸、輕接觸和接觸等結構形式。

1)非接觸。密封圈與動圈有一定間隙，其目的是不產生摩擦，防止內部潤滑脂泄漏和外部物質進入軸承內部。

2)輕接觸。密封圈與動圈輕接觸，可兼顧降低摩擦和實現良好密封2個功能。

3)接觸。根據使用工況和客戶要求，密封圈與動圈的接觸方式較多，其目的均是能獲得較好的密封效果和保證軸承的使用壽命，但也要考慮具有合適的摩擦力矩。

密封件與動圈的接觸形式、貼合壓力、潤滑狀態、滑動速度以及接觸處的表面加工質量等因素對軸承的摩擦力矩、最高容許轉速、溫升、使用壽命等均有顯著影響。因此，應根據具體情況進行分析與設計，以期達到多目標值的最佳組合。

1.3 其他密封結構形式

汽車軸承因容易受到粉塵、水、異物等的碰撞沖擊、侵入，使軸承壽命大大降低，故需進行結構改進，并模擬實際工況進行試驗驗證。文獻[1]介紹了一些汽車輪轂軸承的密封結構，見表1。文獻[2]分析了影響深溝球軸承密封性能的因素，對密封結構、摩擦力矩、加工精度、密封圈材料等提出了改進建議。文獻[3]介紹了汽車軸承技術的發展動向。

表1 密封結構

由相關資料可知，暴露在惡劣環境下的汽車軸承一般采用接觸式密封，以防止內部潤滑脂泄漏和外部物質進入軸承內部，在可能的情況下，還應考慮允許內部氣體的泄出。

2 復合密封結構的設計

應用在汽車底盤傳動軸上的6009W19深溝球軸承，工作條件惡劣，對密封性能的要求較高，故需對該軸承的密封結構進行專門設計。

2.1 設計要點

1)采用橡膠密封圈+防塵蓋的復合結構，以防止泥漿進入。軸承及密封結構如圖1、圖2所示，密封圈采用徑向、軸向2個唇口設計。

圖1 6009W19軸承結構

圖2 耐泥漿復合密封結構

2)基于防泥漿及防塵性能的考慮，使用鐵蓋。考慮到防銹性要求，防塵蓋采用SUS304不銹鋼，密封圈采用ACM橡膠與SECC骨架組合。

3)圖2中，空隙會兼顧泥漿滲入和排出；軸向柔性唇口會增加鐵蓋的接觸程度，從而提高產品的密封性能；徑向唇口會維持穩定的過盈配合力。

2.2 有限元分析

根據實際工況，采用ANSYS優化密封結構。在軸向力100 N、內圈軸向偏移0.27 mm(最大軸向游隙)時，軸承兩端密封結構的受載與變形如圖3所示。圖3a為偏移導致密封唇被擠壓的緊邊，圖3b為偏移導致密封唇被放松的松邊。分析結果表明：橡膠唇與防塵蓋接觸后，唇部會變形，達到一定的接觸密封效果，且密封結構受載合理，最大接觸應力在軸向柔性唇口處，為0.90 MPa，在安全范圍內；而SECC骨架彎曲處最大接觸應力為140 MPa，小于屈服強度。

圖3 密封結構的應力圖

3 噴濺試驗

根據實際工況，在專用試驗機上進行泥漿噴射試驗，測試4套6009W19軸承的耐泥漿性能。

評價指標：1)監測軸承振動，以評估是否有泥漿進入軸承；2)試驗結束后對軸承進行拆解、檢查與評價。

3.1 試驗原理

試驗原理與試驗臺架分別如圖4、圖5所示。模擬車輛行駛過程中的惡劣工況，對軸承施加100 N的徑向載荷，利用泵連接φ6 mm噴射頭，在10 mm外對軸承的密封部位噴泥漿，泥漿流量為0.5 L/min。

1—泥漿出口;2,6—加熱器；3—試驗軸承；4—軸承裝夾機構；5—旋轉軸；7—泥漿箱；8—泥漿噴頭

圖5 噴濺試驗裝置

泥漿配比(重量比)：符合ISO 12103—1《Road vehicles-Test dust for filter evaluation—Part 1: Arizona test dust》標準的亞利桑那粉占1%，氯化鈉占5%,余量為水。

3.2 試驗過程

試驗流程如下： 1)室溫，以900 r/min運轉60 min，不噴射泥漿；2)加熱到135 ℃，以1 850 r/min運轉60 min，不噴射泥漿；3)室溫，以100 r/min運轉5 min，噴射泥漿到密封圈側面上；4)加熱到165 ℃，轉速為0，10 min，同時關閉泥漿噴射。

重復2)～4)步驟175次。每24 h用VIB-5振動測量儀監測一次軸承振動。

3.3 試驗結果與分析

軸承振動測試結果如圖6所示(4條曲線為4套軸承對應的振動水平)。

圖6 4套6009W19的振動測試結果

由圖6可知，由于外載荷作用，在24 h后振動加速度小幅增加;在218 h后，軸承振動加速度均有所增加，試驗中后期振動水平并沒有增加。

試驗結束后軸承仍能正常運轉，然后拆解檢查，如圖7所示，軸承的外圈溝道表面、內圈溝道表面、鋼球均沒有被腐蝕；密封圈、防塵蓋、保持架均完好無損；油脂仍具有黏稠性。

圖7 試驗后的軸承目視檢查

4 結束語

該復合密封結構設計合理、性能良好，經長時間抗泥漿試驗后，軸承無腐蝕、損壞、油脂明顯乳化流失等現象，除振動水平略高外，仍能正常運轉。采用該密封結構的軸承已批量生產和應用于汽車傳動軸上，質量穩定可靠，滿足了客戶需求。