汽車傳動(dòng)軸用軸承的抗泥漿復(fù)合密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

趙坤，蘇達(dá)士

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

汽車傳動(dòng)軸用軸承作為重要零部件，其性能對(duì)汽車行駛性能影響很大。而軸承的密封失效往往是導(dǎo)致該類軸承使用壽命達(dá)不到要求的主要因素之一。為此，設(shè)計(jì)了惡劣環(huán)境下汽車傳動(dòng)軸用6009W19軸承的抗泥漿密封結(jié)構(gòu)。經(jīng)批量使用，軸承密封結(jié)構(gòu)性能良好，滿足使用要求。

1 汽車軸承的密封結(jié)構(gòu)

1.1 防塵蓋

常規(guī)的防塵蓋為鋼板沖壓型，防塵蓋與動(dòng)圈(一般指內(nèi)圈)不接觸，留有較小的間隙，通常稱為非接觸式密封。因?yàn)橛虚g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(dá)到預(yù)期密封效果，與動(dòng)圈通常有非接觸、輕接觸和接觸等結(jié)構(gòu)形式。

1)非接觸。密封圈與動(dòng)圈有一定間隙，其目的是不產(chǎn)生摩擦，防止內(nèi)部潤(rùn)滑脂泄漏和外部物質(zhì)進(jìn)入軸承內(nèi)部。

2)輕接觸。密封圈與動(dòng)圈輕接觸，可兼顧降低摩擦和實(shí)現(xiàn)良好密封2個(gè)功能。

3)接觸。根據(jù)使用工況和客戶要求，密封圈與動(dòng)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(dòng)圈的接觸形式、貼合壓力、潤(rùn)滑狀態(tài)、滑動(dòng)速度以及接觸處的表面加工質(zhì)量等因素對(duì)軸承的摩擦力矩、最高容許轉(zhuǎn)速、溫升、使用壽命等均有顯著影響。因此，應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)，以期達(dá)到多目標(biāo)值的最佳組合。

1.3 其他密封結(jié)構(gòu)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(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，并模擬實(shí)際工況進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。文獻(xiàn)[1]介紹了一些汽車輪轂軸承的密封結(jié)構(gòu)，見(jiàn)表1。文獻(xiàn)[2]分析了影響深溝球軸承密封性能的因素，對(duì)密封結(jié)構(gòu)、摩擦力矩、加工精度、密封圈材料等提出了改進(jìn)建議。文獻(xiàn)[3]介紹了汽車軸承技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向。

表1 密封結(jié)構(gòu)

由相關(guān)資料可知，暴露在惡劣環(huán)境下的汽車軸承一般采用接觸式密封，以防止內(nèi)部潤(rùn)滑脂泄漏和外部物質(zhì)進(jìn)入軸承內(nèi)部，在可能的情況下，還應(yīng)考慮允許內(nèi)部氣體的泄出。

2 復(fù)合密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

應(yīng)用在汽車底盤傳動(dòng)軸上的6009W19深溝球軸承，工作條件惡劣，對(duì)密封性能的要求較高，故需對(duì)該軸承的密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。

2.1 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1)采用橡膠密封圈+防塵蓋的復(fù)合結(jié)構(gòu)，以防止泥漿進(jìn)入。軸承及密封結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，密封圈采用徑向、軸向2個(gè)唇口設(shè)計(jì)。

圖1 6009W19軸承結(jié)構(gòu)

圖2 耐泥漿復(fù)合密封結(jié)構(gòu)

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(huì)兼顧泥漿滲入和排出；軸向柔性唇口會(huì)增加鐵蓋的接觸程度，從而提高產(chǎn)品的密封性能；徑向唇口會(huì)維持穩(wěn)定的過(guò)盈配合力。

2.2 有限元分析

根據(jù)實(shí)際工況，采用ANSYS優(yōu)化密封結(jié)構(gòu)。在軸向力100 N、內(nèi)圈軸向偏移0.27 mm(最大軸向游隙)時(shí)，軸承兩端密封結(jié)構(gòu)的受載與變形如圖3所示。圖3a為偏移導(dǎo)致密封唇被擠壓的緊邊，圖3b為偏移導(dǎo)致密封唇被放松的松邊。分析結(jié)果表明：橡膠唇與防塵蓋接觸后，唇部會(huì)變形，達(dá)到一定的接觸密封效果，且密封結(jié)構(gòu)受載合理，最大接觸應(yīng)力在軸向柔性唇口處，為0.90 MPa，在安全范圍內(nèi)；而SECC骨架彎曲處最大接觸應(yīng)力為140 MPa，小于屈服強(qiáng)度。

圖3 密封結(jié)構(gòu)的應(yīng)力圖

3 噴濺試驗(yàn)

根據(jù)實(shí)際工況，在專用試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行泥漿噴射試驗(yàn)，測(cè)試4套6009W19軸承的耐泥漿性能。

評(píng)價(jià)指標(biāo)：1)監(jiān)測(cè)軸承振動(dòng)，以評(píng)估是否有泥漿進(jìn)入軸承；2)試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)軸承進(jìn)行拆解、檢查與評(píng)價(jià)。

3.1 試驗(yàn)原理

試驗(yàn)原理與試驗(yàn)臺(tái)架分別如圖4、圖5所示。模擬車輛行駛過(guò)程中的惡劣工況，對(duì)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(duì)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(yàn)軸承；4—軸承裝夾機(jī)構(gòu)；5—旋轉(zhuǎn)軸；7—泥漿箱；8—泥漿噴頭

圖5 噴濺試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)的亞利桑那粉占1%，氯化鈉占5%,余量為水。

3.2 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)流程如下： 1)室溫，以900 r/min運(yùn)轉(zhuǎn)60 min，不噴射泥漿；2)加熱到135 ℃，以1 850 r/min運(yùn)轉(zhuǎn)60 min，不噴射泥漿；3)室溫，以100 r/min運(yùn)轉(zhuǎn)5 min，噴射泥漿到密封圈側(cè)面上；4)加熱到165 ℃，轉(zhuǎn)速為0，10 min，同時(shí)關(guān)閉泥漿噴射。

重復(fù)2)～4)步驟175次。每24 h用VIB-5振動(dòng)測(cè)量?jī)x監(jiān)測(cè)一次軸承振動(dòng)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

軸承振動(dòng)測(cè)試結(jié)果如圖6所示(4條曲線為4套軸承對(duì)應(yīng)的振動(dòng)水平)。

圖6 4套6009W19的振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

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

試驗(yàn)結(jié)束后軸承仍能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，然后拆解檢查，如圖7所示，軸承的外圈溝道表面、內(nèi)圈溝道表面、鋼球均沒(méi)有被腐蝕；密封圈、防塵蓋、保持架均完好無(wú)損；油脂仍具有黏稠性。

圖7 試驗(yàn)后的軸承目視檢查

4 結(jié)束語(yǔ)

該復(fù)合密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、性能良好，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間抗泥漿試驗(yàn)后，軸承無(wú)腐蝕、損壞、油脂明顯乳化流失等現(xiàn)象，除振動(dòng)水平略高外，仍能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。采用該密封結(jié)構(gòu)的軸承已批量生產(chǎn)和應(yīng)用于汽車傳動(dòng)軸上，質(zhì)量穩(wěn)定可靠，滿足了客戶需求。