汽車輪轂軸承失效模式分析及性能提升

關(guān)熊飛，李延超，楊曉勇，劉偉紅

（海馬轎車有限公司，河南 鄭州 450016）

測試試驗(yàn)

汽車輪轂軸承失效模式分析及性能提升

關(guān)熊飛，李延超，楊曉勇，劉偉紅

（海馬轎車有限公司，河南 鄭州 450016）

輪轂軸承是汽車非常重要的安全部件，本論文列舉某車型路試過程中輪轂軸承單元失效的問題進(jìn)行分析，針對其失效的原因采取相應(yīng)軸承性能提升的措施。

汽車；輪轂軸承單元；密封

CLC NO.:U463.3Document Code:AArticle ID:1671-7988(2015)07-78-03

引言

汽車輪轂軸承單元是用于連接制動器、傳動軸或者扭力梁，為輪轂的轉(zhuǎn)動傳遞轉(zhuǎn)矩和支撐整車載荷的作用。汽車輪轂軸承單元主要承受通過懸架系統(tǒng)傳遞而來的汽車重量（徑向載荷），轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向力產(chǎn)生的軸向載荷，傳動系統(tǒng)傳遞變速箱和驅(qū)動軸扭矩，使汽車前進(jìn)和后退。因此輪轂軸承是一個非常重要的部件，保證了汽車運(yùn)行平穩(wěn)舒適性和安全性。一旦失效會導(dǎo)致車輛不能正常行駛，零部件運(yùn)轉(zhuǎn)異常、異響，零件磨損加劇，使用壽命下降，安全性能降低等問題。典型的輪轂軸承失效主要有:密封性能失效、內(nèi)外圈表面疲勞失效。

1、汽車輪轂軸承的結(jié)構(gòu)

輪轂軸承是在角接觸球軸承和圓錐滾子軸承的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的專用輪轂軸承單元。與傳統(tǒng)的滾動軸承相比，輪轂軸承單元可預(yù)調(diào)游隙和預(yù)壓預(yù)置，整體剛性好，可靠性高，并帶有凸緣的內(nèi)圈和外圈，可直接與汽車制動和轉(zhuǎn)動系統(tǒng)聯(lián)接，結(jié)構(gòu)簡化，減少安裝空間，便于維修，軸承使用壽命長。

隨著現(xiàn)代汽車技術(shù)發(fā)展，降低能源消耗，舒適性，安全性，模塊化，加速性能，智能化要求不斷提高，對輪轂軸承的要求也不斷向著低摩擦力矩、良好的密封性能、高可靠性，結(jié)構(gòu)緊湊、單元化、高性能、輕量化、智能化方向發(fā)展。根據(jù)輪轂軸承單元發(fā)展歷程，目前輪轂軸承單元可以分為一代、二代、三代、四代輪轂軸承:

第一代輪轂軸承單元是預(yù)調(diào)游隙，帶密封圈的雙列軸承。將原兩套分立的角接觸球軸承或圓錐滾子軸承集成為一套外圈整體式、內(nèi)圈背對背組合的雙列角接觸球軸承或雙列圓錐滾子軸承，可預(yù)先設(shè)定初始游隙值，并且自帶密封圈。

第二代輪轂軸承單元是外圈帶凸緣的預(yù)調(diào)游隙，帶密封圈的雙列軸承。第1代輪轂軸承單元基礎(chǔ)上，使外圈帶凸緣，通過螺栓直接連接到懸架上（內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)型），或安裝到剎車盤和鋼圈上（外圈旋轉(zhuǎn)型）。

第三代輪轂軸承單元是除預(yù)調(diào)游隙，帶密封圈外，其內(nèi)、外圈均帶凸緣，多數(shù)還集成了輪速傳感器。在第2代輪轂軸承單元基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，如內(nèi)圈帶凸緣用于連接剎車盤和鋼圈，還可集成ABS傳感器。

第四代輪轂軸承單元是進(jìn)一步將雙列軸承、連接法蘭以及等速萬向節(jié)集成為一個結(jié)構(gòu)緊湊的整體。

隨著輪轂軸承的不斷改進(jìn)和優(yōu)化，可靠性、剛性及性能越來越高，輕量化和安裝方便，ABS傳感器集成模塊化，因此目前第三代輪轂軸承單元應(yīng)用越來越廣泛，四代軸承在國外已經(jīng)開始投放市場。

2、輪轂軸承單元的失效模式分析

某車在道路耐久性能試驗(yàn)中，行駛到一定里程（6.5萬公里）后發(fā)現(xiàn)車輛在直行和低速轉(zhuǎn)向時前輪輪轂軸承異響。根據(jù)試驗(yàn)反饋的問題，輪轂軸承失效模式主要表現(xiàn)為輪轂松曠和軸承異響。下圖為幾組輪轂軸承失效后的拆解圖片。

2.1 經(jīng)過對該車前輪轂軸承單元的拆解發(fā)現(xiàn)下列問題

2.1.1 內(nèi)圈端面和法蘭端面的高度差，即將軸承再用沖床壓裝一下，壓裝前、后高度差相差約0.75mm，如下圖2所示，這說明輪轂軸承與傳動軸法蘭端面有相對移動。

2.1.2 軸承內(nèi)外側(cè)均滾道內(nèi)油脂發(fā)黑（見圖1），嚴(yán)重磨損，說明軸承密封性能失效，有泥水或者雜質(zhì)進(jìn)入。

2.1.3 清洗完軸承上油脂后發(fā)現(xiàn)，鋼球表面完好，但外圈內(nèi)側(cè)滾道有剝離麻點(diǎn)，內(nèi)圈內(nèi)側(cè)滾道表面剝落（見圖1-3）。說明內(nèi)、外圈表面疲勞剝落。

2.2 原因分析

2.2.1 通過對前輪轂軸承整體的結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度分析，各零件的受力狀態(tài)和應(yīng)力分布情況，從整體應(yīng)力分布看，該輪轂軸承的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)理論上是滿足整車強(qiáng)度要求（圖3），軸承L10理論設(shè)計(jì)壽命約為67.4萬公里，滿足軸承的性能要求（圖4）。

因此從輪轂軸承載荷分布，載荷計(jì)算看，軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是滿足車輛使用要求的。

2.2.2 通常輪軸壽命下降失效原因主要是由于密封性能下降、潤滑脂外漏和內(nèi)外圈表面疲勞失效造成。

密封主要失效形式是來自外部水和污染物的侵入，使界面腐蝕，進(jìn)而加速了密封磨損和工作表面疲勞剝落；潤滑劑、潤滑脂的變質(zhì)源于老化、水滲入或基油損耗。長距離運(yùn)行的失效輪轂單元，顯示出軸承的鋼球退色，而密封沒有失效。這種情況下，老化的潤滑脂變得更硬、潤滑性能減弱，可引起噪聲更大，滾道表面形狀改變，出現(xiàn)打滑或鋼球脫色，而且還可能在部分表面出現(xiàn)初始疲勞。

大多數(shù)失效套圈上都有可見表面裂紋擴(kuò)展，而幾乎沒有剝落的顆粒，剝落擴(kuò)展非常緩慢，另外一些失效模式是在接觸滾道內(nèi)部，或在鋼球與滾道的間隙處出現(xiàn)腐蝕，最終導(dǎo)致點(diǎn)蝕和表面初始疲勞。

軸承疲勞失效，包括局部淺層疲勞和表層疲勞兩種失效形式，具體表現(xiàn)為內(nèi)外圈滾道和滾動體表面有疲勞裂紋或材質(zhì)剝落。結(jié)合輪轂軸承工作特點(diǎn)及對失效軸承的組織、硬度、材料和潤滑狀況分析，提出造成軸承疲勞失效的原因大多與軸承體材質(zhì)、工藝無關(guān)，而潤滑不良致使?jié)櫥湍ば纬刹焕硐牖蛴蜗哆^大致使接觸面滑動時，除在接觸表面存在赫茲應(yīng)力，還會在接觸表面下方產(chǎn)生交變剪切應(yīng)力，這種剪切應(yīng)力會導(dǎo)致表面的材質(zhì)疲勞而產(chǎn)生疲勞裂紋，然后擴(kuò)展到表面形成材質(zhì)剝落。

因此通過失效輪轂軸承拆解分析，輪轂軸承失效主要由于自身密封結(jié)構(gòu)失效導(dǎo)致密封密封性能下降，外部泥水異物進(jìn)入，從而致使零件磨損加劇，軸承內(nèi)外圈表面疲勞剝落，另外輪轂軸承安裝預(yù)裝力不足,傳動軸鎖緊螺母力矩不足，軸承內(nèi)圈壓裝不到位，車輛行駛時軸承松曠，從而導(dǎo)致疲勞失效。失效后果表現(xiàn)為內(nèi)圈產(chǎn)生軸向位移，軸承旋轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，軸承內(nèi)圈與輪轂產(chǎn)生相對運(yùn)動，車輛行駛時發(fā)生異響，嚴(yán)重時會發(fā)生車輪晃動及制動抖動的現(xiàn)象。

2.3 問題確認(rèn)

該軸承失效原因首要解決密封性能下降的問題，汽車對輪轂軸承的密封性能有非常苛刻的要求。不僅要求輪轂軸承具有良好的防漏脂性能 ,還要有良好的防塵、防泥水、耐磨性能。輪轂軸承的密封性能與密封圈設(shè)計(jì)有關(guān) ,與輪轂軸承周圍的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也有密切的關(guān)系。下圖為不同密封結(jié)構(gòu)耐泥水試驗(yàn)結(jié)果對比。

不同密封圈的性能可以根據(jù)輪轂軸承周圍結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)壽命，選擇既經(jīng)濟(jì)又能滿足密封性能要求的密封圈。

3、輪轂軸承性能提升

針對上述輪轂軸承失效模式分析結(jié)果，我們對該車的輪轂軸承性能提升做以下改進(jìn):

3.1 密封圈結(jié)構(gòu)采用密封性能更好的低摩擦整體式密封結(jié)構(gòu)，多密封唇結(jié)構(gòu)，由一個防塵蓋和一個密封圈組合成整體式密封結(jié)構(gòu)。如下圖所示:

3.2 下圖密封結(jié)構(gòu)引起的軸承內(nèi)外圈配合尺寸的變化。

3.3 另外鑒于售后失效件中有一定比例產(chǎn)品存在滾道早期疲勞的情況，故可以對內(nèi)、外圈材質(zhì)性能提高，采用良好的耐磨性、較高的接觸疲勞性能鋼材。比如為鋼號GCr15，E52100等軸承剛。

改進(jìn)后的輪轂軸承通過300h泥水噴濺試驗(yàn)和道路耐久試驗(yàn)驗(yàn)證，軸承滾道及鋼球表面無疲勞剝落，油脂無外漏，軸承完好。

4、結(jié)論

總之輪轂軸承失效，導(dǎo)致軸承旋轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，汽車行駛時發(fā)生異響，嚴(yán)重時引起車輪晃動和制動抖動的問題。根據(jù)失效機(jī)理，大多是由于軸承密封性能下降，外部泥水，雜質(zhì)進(jìn)入，導(dǎo)致潤滑脂性能下降，內(nèi)外圈，鋼球磨損加劇，最終疲勞失效。所以輪轂軸承的性能滿足不僅僅要分析其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，載荷分布，設(shè)計(jì)壽命，更重要的是密封圈性能和潤滑脂是否滿足使用要求。

[1] 陳雪峰,衛(wèi)瑞元.汽車輪轂軸承疲勞失效分析[J].軸承.2009.

[2] 王露,王秋成等.基于多工況臺架試驗(yàn)載荷的輪轂軸承受力分析分析[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程.2009.

[3] 蔣興奇,黃志強(qiáng).NSK第三代輪轂軸承的開發(fā)軸承[J].2005.4.

Failure Mode Analysis Of The Automobile Hub Bearing and Performance Promotion

Guan Xiongfei, Li Yanchao, Yang Xiaoyong, Liu Weihong
( Hippocampus Car Co., Ltd., Henan Zhengzhou 450016 )

Hub bearing is very important safety component of automobile, this paper is took about that some vehicle road test analysis of hub bearing unit failure problem in the process, aiming at the cause of failure to take measures to enhance the bearing performance.

Automobile; Hub bearing units; obturating

U463.3

A

1671-7988(2015)07-78-03

關(guān)熊飛，就職于 海馬轎車有限公司。