長壽命輪轂軸承潤滑脂的性能分析

石俊峰，劉建龍，李興林，康軍，吳寶杰

（1.中國石化潤滑油有限公司天津分公司，天津 300480；2.杭州軸承試驗研究中心有限公司，杭州 310022；3.機械工業軸承產品質量檢測中心（杭州），杭州 310022）

汽車輪轂軸承潤滑脂的發展經歷了鈣基脂→鋰基脂→復合皂基脂（聚脲基脂）的過程，各國因發展程度不同，汽車用潤滑脂的標準在不同時期有很大差別。為滿足汽車工業全局性規范化發展要求，1989年國際汽車工程師協會（SAE）、美國試驗和材料協會（ASTM）和國際潤滑脂協會（NLGI）三方聯合，統一了汽車潤滑脂分類，制定了汽車用潤滑脂標準ASTM D 4950［1］，其中輪轂軸承潤滑脂劃分成GA，GB，GC這3個等級。隨著汽車行業整體技術和單元化發展要求及道路條件的改善，現代汽車向著高速、重載、節能及環保方面發展，汽車行業潤滑脂的發展方向是以復合鋰基潤滑脂、聚脲潤滑脂等高檔潤滑脂為主流產品，工業界也提出了“終身潤滑”要求。

目前，國內商用車輪轂軸承潤滑脂主要以鋰基脂和復合鋰基脂為主，能夠滿足ASTM D 4950中GC標準的潤滑脂很少。隨著中國經濟的崛起和汽車行業的發展，對汽車用潤滑脂的長壽命和耐溫性能提出了更苛刻的要求，尤其是高速重載下的輪轂軸承，對潤滑劑的高溫性、防護性、極壓抗磨性、黏附性、長壽命等提出了更高的要求?，F通過對潤滑脂的機械安定性、抗水性、分油特性和流變性能的分析，結合行車試驗的測試結果，考察輪轂軸承潤滑脂壽命的影響因素。

1 試驗

輪轂軸承正常運轉時的溫度范圍為60～90℃，當軸承出現潤滑不良或異常磨損時，溫度會升高，有時達到120℃。根據輪轂軸承的運行溫度和環境溫度，以下部分試驗的溫度范圍為20～120℃。

1.1 試樣

試驗選取4種潤滑脂，均為商用車輪轂軸承使用的成熟產品，其性能指標見表1。其中試樣A和B滿足ASTM D 4950中的GB標準，試樣C和D滿足GC標準，試樣C是通過稠化劑結構改進劑生產的新型復合鋰基潤滑脂。潤滑脂均為礦物油制備的皂基潤滑脂，并包含功能性的添加劑。將4種潤滑脂試樣分別裝填入汽車輪轂軸承中進行行車試驗，試驗軸承的參數見表2。

表1 潤滑脂樣品的性能指標Tab.1 Performance indicators of grease samples

表2 試驗軸承參數Tab.2 Parameters of test bearings

1.2 試驗條件及方法

1.2.1 潤滑脂性能測試

潤滑脂理化指標的試驗方法見表3。

表3 潤滑脂性能測試方法Tab.3 Testingmethods for performances of greases

2 結果與分析

1.2.2 臺架試驗

采用舍弗勒公司的FAG FE8臺架進行測試，試驗條件見表4，對試驗軸承施加軸向力Fa，通過設備自帶的傳感器，對試驗過程中的摩擦力、溫度等進行數據采集。

表4 臺架試驗條件Tab.4 Conditions of bench test

2.1 機械安定性

通過106次剪切和滾筒試驗測試潤滑脂樣品的機械安定性，結果如圖1所示。由圖可知，潤滑脂A的機械安定性最差，106次剪切的錐入度增大了51單位，滾筒試驗后的錐入度增大了83單位；潤滑脂B在實際使用中經常發生甩脂流失現象，主要原因是其剪切安定性差；潤滑脂C的機械安定性最好，106次剪切后的錐入度增大了12單位，滾筒試驗后的錐入度增大了27單位，通過改進稠化劑的皂纖維結構，制備的潤滑脂C的皂纖維更加緊密，抗剪切能力更強，解決了復合鋰基潤滑脂在高速、重載環境下機械安定性差的問題。

圖1 機械安定性的測試結果Fig.1 Testing results ofmechanical stability

1.2.3 行車試驗

選擇4輛相同型號的六軸重載商用車進行行車試驗，試驗條件見表5。潤滑脂裝填在后面3根承重車橋上，在相同路況下對比4種潤滑脂的實際使用性能。

2.2 流變學測試

潤滑脂是由基礎油和稠化劑形成的膠體結構分散體系，屬于非Newton流體，具有復雜的流變學特性。在流變學中涉及2個重要參數：彈性模量G′和黏性模量G″。潤滑脂被微小幅度的力量作用時，由于受到的剪切應力小于屈服應力，稠化劑結構沒有被破壞，G′和G″均為穩定數值，且G′大于G″，說明潤滑脂在靜止或受到很小剪切應力時，其彈性占主導地位，潤滑脂以固體性質為主導。隨著剪切應力不斷增大，G′和G″開始減小，且G′的減小速度比G″快。當G′和G″相等時為潤滑脂的流動點，在流動點之后（即G′＜G″時），潤滑脂的流變性由彈性為主導逐漸變成以黏性為主導，潤滑脂開始呈現流動性質［9］。不同溫度下，4種潤滑脂在流動點（G′＝G″）時的彈性模量G′和剪切應變γf見表6。

潤滑脂的結構受溫度和剪切2種作用，由表6可知，在低溫（60℃以下）時，潤滑脂結構受溫度影響較小，主要是在剪切作用下，其結構逐漸受到破壞，這是一個逐漸變化的過程，所以此時流動點較低；在80～120℃內，稠化劑膠團顆粒膨化，使纖維對基礎油的束縛力相對增加，潤滑脂總體上的彈性增強。

一般來說，稠化劑的網狀結構能夠把基礎油維系在結構中。潤滑脂A，B，D均加有一定量的高分子增黏劑，聚合物類的添加劑能夠改善其保持能力。因此這3種潤滑脂通過增黏劑的作用增強了其皂纖維的彈性，表現出較高的彈性模量數值，而且潤滑脂B因其較高的增黏劑數量和特殊的聚合物類型一直表現出良好的彈性［10］。潤滑脂C是改進了皂纖維結構的新型復合鋰稠化劑，其形成的互穿的網狀結構更加緊密，因此表現出良好的機械安定性、黏附性和抗水性，在輪轂軸承的實際使用中也顯示出較好的性能。

2.3 抗水性能

潤滑脂具有一定的密封作用，能夠阻止少量的水進入軸承。由于使用環境和車橋密封的原因，商用車輪轂軸承潤滑脂會經常接觸到水，水分進入軸承會引起銹蝕，影響潤滑油膜的連續性，破壞潤滑脂結構，造成其流失等嚴重問題［11］。

潤滑脂耐水噴霧試驗前后結果如圖2所示。由圖可知，潤滑脂A幾乎全部沖走，潤滑脂B，C，D有不同程度的質量損失，抗水性能和黏附性的順序是C＞D＞B＞A。

圖2 潤滑脂耐水噴霧試驗結果Fig.2 Test results water spray resistance of greases

耐水噴霧試驗后潤滑脂流失量如圖3所示。由圖可知，潤滑脂A的質量損失為98.45%；潤滑脂B的質量損失為59.11%，其抗水性能比潤滑脂A提升了40%；潤滑脂C的質量損失為10.35%，其抗水性能比潤滑脂B提升了82%以上，此外，其抗水性和黏附性能也優于潤滑脂D。

圖3 潤滑脂流失量Fig.3 Loss amount of greases

2.4 分油性能

對于商用車圓錐滾子軸承，按照DIN 51817測得的潤滑脂40℃下最適合的分油量為1% ～3%［12］。4種潤滑脂在不同溫度下的分油量如圖4所示。由圖可知，在40℃下，潤滑脂A，C，D的分油量在1%～3%的范圍內；而潤滑脂B的分油量明顯不足。

圖4 潤滑脂在不同溫度下的分油量Fig.4 Oil separation mass of greases under different temperatures

潤滑脂的分油能力取決于稠化劑的結構和基礎油黏度，使用中受溫度、載荷、轉速的影響。隨著溫度的升高，基礎油分子的Brown運動加劇，當基礎油分子的熱運動達到能夠擺脫皂纖維的束縛后，潤滑脂的分油量急劇增加。因此，隨著溫度的升高，潤滑脂的分油量呈顯著增長趨勢。潤滑脂A的分油量受溫度的影響最大，一方面是由于潤滑脂A的基礎油黏度低于其他3種潤滑脂；另一方面，鋰的皂分子束縛基礎油的能力弱于復合鋰皂分子。

在圓錐滾子軸承中，潤滑脂主要集中在滾道附近和保持架上，軸承在運轉過程中，通過離心力和表面張力分出的基礎油到達Hertz接觸區，形成穩定的潤滑油膜，從而降低軸承溫升，起到良好潤滑的作用［13］。臺架試驗中裝有不同潤滑脂的軸承溫度變化曲線如圖5所示。由圖可知，潤滑脂A由于分油量較大，在運行50 h之內，軸承溫度平穩在95℃左右；50 h后，由于鋰基脂的機械安定性和黏附性差等原因，沒有潤滑脂的阻擋，分出的基礎油被甩出接觸區而造成“貧油”現象，導致軸承的溫度升高。潤滑脂B由于分油量不足，軸承的溫度始終在105～110℃波動，隨著運行時間的增加磨損不斷加劇，嚴重影響軸承的使用壽命。潤滑脂C分油量較潤滑脂B有了顯著增加，軸承的運行溫度也降低了10℃以上，并且其分油量隨著溫度的升高平穩增加，有助于對軸承產生持續的潤滑作用，有利于延長軸承的使用壽命。裝有潤滑脂D的軸承運行開始時溫度較高，可能是因為軸承的溫度有一部分來自潤滑脂的攪動熱，隨著運行時間的增加，軸承溫度有明顯下降，80 h后由于其分油量過大或被氧化，軸承溫升又有增加的趨勢。

圖5 臺架試驗中軸承溫度變化曲線Fig.5 Variation curve of bearing temperatures during bench tests

2.5 行車試驗

裝有潤滑脂A的試驗車輛行駛到7×104km時，輪轂外部出現明顯的析油現象，輪轂軸承振動增加，磨損嚴重，由此判斷潤滑脂A達到使用壽命，終止試驗，取樣分析。其他3種潤滑脂均行駛2×105km后無明顯甩出潤滑脂、析出油的現象，潤滑脂B，C，D行駛2×105km結束試驗，取樣分析。

行車試驗后4種潤滑脂的理化指標見表7。由表可知，潤滑脂A和B的滴點下降最明顯，下降約10℃，潤滑脂C和D的滴點變化不明顯，下降2℃左右；潤滑脂A的錐入度變化最大，增大了42單位，潤滑脂C的錐入度變化最小，只增大了15單位。與潤滑脂B相比，在實際行車中潤滑脂C的剪切安定性提高了47%。4種潤滑脂行車試驗后的錐入度變化趨勢與機械安定性的分析結果一致。

表7 行車試驗后潤滑脂的理化指標Tab.7 Physicochemical indicators of greases after road tests

行車試驗前、后潤滑脂的皂纖維結構分別如圖6、圖7所示。滴點和錐入度下降主要是因為潤滑脂在輪轂軸承中受到長時間的剪切，皂纖維被破壞（圖7），使潤滑脂的皂分子束縛基礎油的能力下降。與行車試驗前潤滑脂的皂纖維結構相比，潤滑脂A的皂纖維破壞最嚴重，幾乎所有的皂纖維被剪斷；潤滑脂B的大部分皂纖維被剪斷，網狀結構的主體被破壞；由于潤滑脂C的皂分子間結合力更強，因此其破壞程度明顯較輕，仍存在大量完整的皂纖維結構；潤滑脂D的皂纖維主體破壞，大量長纖維被剪斷，一些扭繩結構變松散，繼續使用可能會造成潤滑脂流失和軸承失效。

圖6 行車試驗前潤滑脂的皂纖維結構（105×）Fig.6 Soap fiber structure of greases before road tests

圖7 行車試驗后潤滑脂的皂纖維結構（105×）Fig.7 Soap fiber structure of greases after road tests

行車試驗后裝有不同潤滑脂的輪轂軸承外觀如圖8所示。由圖可知，使用潤滑脂A的軸承無腐蝕和銹蝕現象，滾子有嚴重的磨損和變色。使用電感耦合等離子體發射光譜儀（ICP）對試驗后潤滑脂進行金屬元素分析，潤滑脂A鐵的質量分數超過0.5%，這說明與其他軸承相比，使用潤滑脂A的軸承磨損較為嚴重。由于潤滑脂A的耐高溫和機械安定性差，導致輪轂軸承磨損嚴重，使其發生早期失效。使用潤滑脂B的軸承有磨損和輕微變色，這是由于潤滑脂B的分油量不足，導致“貧油”現象。使用潤滑脂D的軸承無明顯磨損，只有輕微的變色，這是由軸承運行時的局部高溫引起。使用潤滑脂C的軸承無變色和磨損現象，軸承表面光亮無明顯壓痕和凹坑。由此可知，潤滑脂C能為輪轂軸承提供良好的潤滑保護，完全滿足商用車輪轂軸承行駛2×105km的要求。

圖8 行車試驗后軸承外觀Fig.8 Appearance of bearings after road tests

3 結論

通過改善稠化劑纖維間的結合強度，改進了復合鋰基潤滑脂的流變性能，使制備的新型復合鋰基潤滑脂具有良好的機械安定性、抗水性、黏附性和防護性能。通過試驗驗證了新型復合鋰基潤滑脂的各項性能和實際使用效果。結果證明，該潤滑脂能夠滿足商用車輪轂軸承2×105km的潤滑要求，特別是在高溫、高速、重載等苛刻的條件下，能夠提高車輛行駛的可靠性和安全性。