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重要組件，其是否能夠平穩可靠地運轉直接關系到行車的安全。普通軸承失效模式識別和分析方法的研究已有相關學者做過大量的工作[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的迅猛發展而逐漸受到重視。文獻[5]對輪轂軸承載荷譜和失效機理做了深入探索。文獻[6-7]分別就輪轂軸承的失效分析步驟及其對策與診斷方法進行了研究。

由于輪轂軸承失效模式多種多樣，且相關研究工作存在一定的局限性，故在輪轂軸承開發階段就需要進行各種性能試驗，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提供參考。

1 性能試驗范圍

輪轂軸承開發驗證的臺架試驗包括：一般耐久性試驗、高速耐久性試驗、疲勞強度試驗、密封試驗、剛性試驗、動摩擦試驗及沖擊試驗等。設計的樣品只有順利通過臺架試驗，才能在主機廠所指定的路試場進行道路試驗。道路試驗綜合了臺架試驗的各種考評項目，能夠真實反映實際工況。不同的主機廠有各自的臺架試驗和道路試驗規范，并明確了評判標準。當試驗樣品沒有達到試驗規范或標準的相關要求時，認為樣品發生了早期失效，該樣品便屬于失效分析的對象，需查找出失效的原因。

2 失效模式

根據國內、外著名軸承廠商，如洛陽軸研科技，浙江萬向精工，SKF，FAG，NSK及NTN等的統計，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計發現，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果，因此，為分析輪轂軸承的失效機理，需要具備較全面的分析手段。

3 失效分析過程

開發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個方面：(1)產品設計不合理；(2)工藝過程未能保證設計要求；(3)試驗設備不穩定；(4)軸承安裝不當；(5)工作載荷過大，超出產品承受能力。針對這些方面，一般的分析過程如下。

3.1 原始信息收集

當失效軸承被委托給分析室進行分析時，非常重要的一環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：設計圖紙、工藝圖紙、車型參數、試驗規范、試驗設備、工裝信息、失效時試驗員所做的軸承異常運轉情況記錄及失效樣品原始檢測報告。其中失效樣品原始檢測報告應包括輪轂軸承組件中各零件(外圈、內圈、鋼球、密封圈、保持架和潤滑脂)的材質報告和相關尺寸檢測報告、裝配件的相關檢測結果等。由于失效件的原始狀態已經受到極大破壞，故原始信息的收集對分析者非常重要，可以說收集信息的完備性決定著分析結果的準確性。

3.2 設計確認

設計確認的目的在于以現行輪轂軸承行業的水準來評判軸承設計的合理性。為完成產品的設計確認，分析者需要對輪轂軸承設計理論[8]有一定深度的了解，并能夠運用一些輔助工具，如數學計算方法、小程序編譯，相關輔助軟件MATALAB，ANSYS，ABAQUS及MSC.FATIGUE等；根據所提供的設計圖紙和試驗載荷譜信息[9]，對產品設計工程師所完成的設計進行確認。需要確認的項目包括：負游隙、靜強度、剛性、滾道疲勞壽命、滾道擋邊高、接觸應力、疲勞強度和密封結構等。

由于目前廣泛應用的第1代、第2代和第3代輪轂軸承結構大不相同，故在設計確認上也會存在一定的差異。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向節的配合，由于其通過鎖緊螺母進行預緊，因此會影響到最終的裝車游隙。游隙的設計應以最終裝車狀態的游隙作為目標，通常裝車狀態的理想游隙為-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，有些確認項是相互矛盾的。在客戶要求輪轂軸承質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度間進行有效的平衡。通過增大鋼球尺寸提高額定動載荷來強化滾道疲勞壽命就會降低軸承的強度，此時，應把軸承強度放在首位考慮，其屬于關乎安全性的重要項目。

3.3 工藝過程確認

在確定產品無設計缺陷后，需要以設計圖紙和企業規范作為評價標準進行工藝過程確認，以明確設計是否得到保證。對于軸承制造商而言，輪轂軸承套圈材料、密封圈和保持架一般為外購件，套圈較關鍵的終加工工藝則由軸承制造商完成。工藝過程確認主要以相關檢測報告為基礎，根據檢測報告逐一核實是否達到設計要求。需要核實的項目主要有：

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

(2)熱處理信息。原材料在加工過程中進行的相關熱處理，如正火和淬火，需要核實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、唇口結構尺寸、滾道擋邊高度和重要外輪廓尺寸等的核實。

(4)外購件特性。查看外購件的檢測報告，確認其是否滿足使用要求。如密封圈的材質、拉伸特性、硬度，潤滑脂的九大性能指標——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、氧化安定性和機械安定性[10]。

(5)裝配件檢測結果。裝配件的游隙和凸緣跳動均會對軸承滾道壽命產生較大影響；裝配件壓裝密封圈的平行差會影響到產品的密封性能，故均需要核實其是否滿足設計要求。

在設計得到確認、失效樣品原始狀態的工藝信息核實無誤及試驗過程狀態明確的前提下，基本能夠推斷出輪轂軸承是否具備通過各項性能試驗的能力。

3.4 分析流程

分析者接到失效件后，需要對失效件做相應的處理，從失效件的失效模式和損傷痕跡，并結合設計及工藝過程明確失效的原因。失效件在試驗前的原始狀態通過收集的數據得到分析后，對試驗失效件也要進行一些輔助檢測，旨在對比試驗前、后及設計標準之間的差異程度。如果有差異，還需確定差異是否在可接受范圍；如果某項指標不在經驗值范圍內，則應作為失效的關注點有所側重。

失效軸承檢查分析流程和所用儀器見表1。根據國家標準、行業標準或企業標準進行相關檢測。針對某型號輪轂軸承進行的失效分析項目，即表1中的實施項目并非全部為必須的，而是需要根據逐步的觀察、分析確定。有些失效原因能夠較早、較容易被發現，而有些則較復雜，隱藏較深，基本要經歷整個過程才能夠發現。

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行道路試驗。車輛行駛64 000 km(要求100 000 km)后左前輪出現異常聲。經拆套發現：外圈滾道外側剝落，潤滑脂變成棕黃色。按照上述流程逐步檢測排查，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 潤滑脂含水率

按照卡爾費休法對提取的潤滑脂含水率進行檢測，發現其含水率嚴重超標，檢測結果見表2。

表2 含水率檢測結果 w,%

4.2 溝道剝落

通過觀察軸承溝道情況(圖3)發現，的確是軸承密封發生了失效，導致泥水侵入軸承中，引起軸承潤滑不良，最終導致溝道產生早期剝落。

圖3 溝道磨損圖片

4.3 密封圈磨損

在體視鏡下對密封圈進行放大觀察，發現外密封圈存在明顯的偏磨損情況(圖4a和圖4b)。對密封圈制樣后在工具顯微鏡下檢測其尺寸，也發現外密封圈存在偏磨損，圖4c和圖4d為密封圈上2個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報告可知，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，經分析最終判定為外密封圈存在壓裝歪斜，導致平行差不好，使泥水經由密封圈縫隙侵入到軸承中，導致軸承提前失效。

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

5 結束語

對輪轂軸承開發階段涉及的各種性能試驗及失效模式進行了歸納梳理，詳細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行了驗證。結果表明，該分析方法可為相關人員開展軸承失效模式的機理研究提供參考。