影響汽車發電機軸承使用壽命的主要因素分析及改進

汪凱

摘 要：該文汽車發電機軸承為研究對象，通過對影響該類軸承使用壽命的分析，提出對其進行結構的優化及熱處理加工工藝的改進來滿足高端汽車客戶對軸承使用壽命的要求。

關鍵詞：汽車發電機軸承 密封 結構 使用壽命

中圖分類號：TM316 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）01（a）-0103-01

隨著汽車性能的不斷提高，對汽車發電機軸承的性能有更高的要求，尤其是高轉速、變速變載、高低溫環境、高密封性能以及低的啟動和旋轉力矩、高可靠性等要求。目前，國內軸承產品質量水平與國外相比主要問題有密封性能較差、產品可靠性不高，難以滿足國內外整機廠的要求，國內生產的汽車發電機軸承僅僅是以售后維修市場為主。而要滿足汽車整機廠的要求，對汽車發電機軸承的使用壽命的研究顯得極為迫切，該文主要討論從軸承參數設計、軸承加工工藝上方面的改進來提高發電機軸承的使用壽命。

1 汽車發電機軸承結構設計的改進

為滿足汽車發電機軸承高密封性能及高可靠性的要求，對發電機軸承做如下改進：（1）軸承套圈溝曲率半徑的結構參數進行優化，以保證軸承在安裝使用中在一定的徑向游隙時有較小軸向游隙，這樣可以降低軸承本身的旋轉力矩，減少軸承內部摩擦；一般取內圈溝曲率系數取0.505，外圈溝曲率系數取0.525，這樣設計溝曲率既能滿足套圈溝道對鋼球的包裹性，又能減小產品的軸向竄動；（2）密封結構的優化，發電機軸承從啟動開始從0轉速直到20000轉高速，轉速范圍較大，并且有時還要在極短的時間內達到一定高的轉速，也就是說需要承受較大的加速度。同時要保證不能漏脂、并盡量減小摩擦力矩，因此此類軸承即需要有高速性能，有需要有較好的密封性能。因此，設計了圖二的改進后的密封結構。

改進后的密封結構特點是密封唇頸較窄，能有效降低摩擦力矩，滿足高速性能要求，密封唇采用三唇結構，能有效的阻止灰塵、水汽進入軸承內部，又能起到防止漏脂作用。相比下改進后的結構比改進前的結構密封性能更好，扭矩更輕，更適合高速旋轉。

2 熱處理工藝的改進

軸承鋼熱處理后其內部組織直接影響軸承的使用壽命，當高碳鋼淬火時獲得中隱晶馬氏體時軸承零件才可能獲得抗失效能力最佳的基體，同時還要控制組織中的殘余奧氏體的含量。通過分析，多次試驗可以知道，降低殘余奧氏體的方法如下：（1）采用二次回火或多次回火，在生產過程中可以增加磨加工工序間的回火，每次磨加工后進行一次回火，使套圈組織更穩定。這是因為殘余奧氏體熱穩定性較差，回火使其轉化為熱穩定性更強的馬氏體，多次回火可使殘奧充分轉變為馬氏體。（2）冰冷處理（-120 ℃冰冷處理）：冰冷處理使大部分殘奧轉化為馬氏體，使套圈更穩定。（3）選擇合適的淬火溫度：通過反復試驗及分析得出軸承鋼的淬火溫度控制在850 ℃為宜。否則殘奧含量大增，且馬氏體組織粗大。因此，熱處理過程中應選用合適的淬火介質，增大冷卻速度。

磨加工過程中附加回火，在循環一次磨加工后，采用150 ℃附加回火，消除磨削過程中產生的附加應力（淬火后的套圈內存有應力；粗磨時切去最外層金屬，引起內應力重新分布而發生變形；粗磨時磨削力和磨削溫度高，工件容易產生彈性變形和熱變形，通過附件回火進一步控制和穩定殘余奧氏體，使得軸承的尺寸穩定性更好。試驗證明，沒有進行真空淬火+附件回火的產品在磨削過程中其變形量增加30%。因此對于高精密軸承熱處理工藝直接影響產品的加工尺寸的穩定性及軸承安裝使用壽命。

3 溝道表面硬化工藝的處理

眾所周之，軸承套圈在加工過程中，由于磨削熱而不可避免要在表面產生磨削變質層，這些變質層厚達2～3 μm左右，變質層可使溝道表面硬度下降，而且是拉應力層，易產生疲勞裂紋，這對軸承的疲勞壽命和可靠性大大不利。因此，在一般的磨加工中，套圈已加工表面會出現殘余拉應力，而且比較難控制，為此提出軸承溝道表面強化研磨的新加工方法，運用該方法能夠改善套圈表面性能，生產出表面具有有利的殘余壓應力的套圈，延長其疲勞壽命。

使產品表面具有壓應力的方法有幾種，（1）采用把強化研磨料（由圓形陶瓷球、強化液和研磨液組成）噴射產品表面，撞擊產品表面來產生壓應力；（2）采用液泡震蕩的方式與套圈一起震蕩，來撞擊套圈溝道表面，使溝道表面層發生彈塑性變形，引起強化層亞晶粒細化、位錯密度增加，撞擊的實質是由于強化研磨料尤其是研磨粉與溝道產生切向運動使溝道表面上產生摩擦和微切削，從而產生研磨加工，同時還可以達到降低表面粗糙度的效果。

針對溝道表面沒有進行硬化加工的與進行硬化加工的零件進行表面壓應力測試，經過強化處理的零件表面壓應力的數值比沒有處理的高出2倍多，并對其進行裝機試驗，經過強化的產品比沒有處理的壽命提高60%以上。因此，套圈溝道表面硬化也是高速精密軸承加工中必不可少的一道工序，而一般軸承則無需此工序。

4 結語

通過對影響汽車發電機軸承使用壽命的因素分析，優化此類軸承結構設計，改善熱處理工藝，控制軸承鋼熱處理后的內部組織，來提升發電機軸承的使用壽命。另外，為了更能適應高低溫、高速、變載可進一步對其磨加工、尤其是超精工藝的研究，來進一步提升此類軸承的使用壽命。同時也可為其他領域的使用條件苛刻的軸承上起到借鑒作用。

參考文獻

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