不同溫度下潤滑脂對輪轂軸承疲勞壽命的影響

錢培慶，李興林，周旭，黃德杰，劉建龍

（1. 上汽大眾汽車有限公司，上海 201805；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；4.浙江萬向精工有限公司，杭州 311215；5.中國石化潤滑油有限公司潤滑脂研究院，天津 300480）

目前，因對潤滑脂實際應用工況了解程度有限，知名潤滑脂制造商對新潤滑脂研發工作主要集中于研究其理化性能，依據石油化工行業測試標準研究其物理性能的變化程度[1－2]，從而確定產品的性能指標。近年來，高端軸承客戶與終端乘用車客戶基于輪轂軸承潤滑脂使用中發現的應用問題，如高溫、污染、異常白色組織剝落、泄漏、微動磨損等導致輪轂軸承壽命急劇下降，逐步形成了潤滑脂綜合性能評價新標準，其中最典型的是由FAG公司擬定的潤滑脂FE9壽命試驗標準[3－4]，其采用標準軸承在不同溫度下進行潤滑脂壽命評價，該試驗系統也被潤滑脂公司采用。而文獻[5]研制的潤滑脂壽命試驗系統也被國內潤滑脂公司采用。

輪轂軸承安裝于整車制動總成上，服役過程中承載、傳動與制動工況會引起滾道溫升，在不同溫度下輪轂軸承表現出不同的壽命特征[6]，對應用需求有重大影響。現通過改變潤滑脂環境溫度，研究既定工況下輪轂軸承潤滑脂的壽命特征，分析其物理性能、溫度工況、壽命特征與失效模式之間的規律。

1 壽命試驗

1.1 潤滑脂

依據稠化劑類型，選取應用于輪轂軸承中較典型的2種潤滑脂——復合鋰基脂和聚脲脂（牌號分別為051＃和027＃）進行研究，其理化指標見表1[7]51。相關檢測標準為：ASTM D217《潤滑劑針入度的測試方法》，ASTM D566《潤滑脂滴點測定法》，ASTM D1478《滾珠軸承潤滑脂低溫轉矩測定法》，ASTM D2596《潤滑脂極壓性能測定法》，IP 121《潤滑脂在貯存期間分油量測定法》，ASTM D942《氧彈法測定潤滑脂氧化穩定性的標準試驗方法》，ASTM D4048《潤滑脂銅片腐蝕試驗法》，ASTM D4170《潤滑脂對微振磨損保護性的試驗方法》。

表1 2種潤滑脂的理化指標Tab.1 Physicochemical indexes of two greases

選擇穩定控制溝道預載荷的第3代輪轂軸承作為試樣（圖1），該軸承為雙列背靠背角接觸球軸承（尺寸為φ88 mm×φ27 mm×48 mm），外圈、凸緣材料為1055鋼，內圈、鋼球材料為52100鋼。為可靠評價試驗軸承壽命，對與其相關的指標進行嚴格控制，控制指標如下：軸向預載荷為2.0～2.5 kN；2列溝道接觸角為35°±3°；每列溝道填脂量為5 g；4個溝道的圓度均不大于3μm，表面粗糙度Ra值不大于0.10μm；鋼球表面粗糙度Ra值不大于0.02μm，形狀誤差不大于0.25μm；總成凸緣跳動不大于0.02 mm。

圖1 試樣結構Fig.1 Structure of sample

不同溫度下每種潤滑脂試驗4套試樣，分成6組（A～F組），試樣總數為24套，試樣分組見表2。

表2 試樣分組Tab.2 Grouped samples

1.2 試驗方法

采用雙工位高低溫耐久性試驗系統開展軸承壽命試驗，環境箱溫度可實現恒溫控制，偏差不大于10℃。試驗原理圖如圖2所示，軸承凸緣與主軸連接，實現軸承旋轉（內圈旋轉，外圈固定）工況模擬，外圈與L形加載力臂連接，通過軸向和徑向加載機構實現對軸承施加徑向載荷Fr與軸向載荷Fa，加載半徑R和偏距ET與試樣的實際裝車特征一致。

圖2 試驗原理圖Fig.2 Schematic diagram of test

采用歐洲路況采集統計的AK45載荷譜[8]6進行強化耐久性試驗，所有試樣均試驗到失效停止。采用1個振動加速度傳感器、2個非接觸式紅外測溫儀分別監測試樣的振動水平（軸向和徑向）、環境箱溫度和外圈表面溫度。設置振動加速度值的2倍初始值為報警極限，采集溫度是為了間接反映溝道潤滑脂的工作溫度。

2 結果與分析

2.1 壽命試驗結果及可靠度分析

軸承壽命試驗結果（循環次數）見表3。

表3 軸承壽命試驗結果Tab.3 Life test results for bearing

輪轂軸承疲勞壽命特征服從Weibull分布，大部分汽車公司均采用Weibull分布[9]來評價輪轂軸承的壽命。不同溫度下軸承壽命的Weibull可靠度分析結果如圖3所示，從中得到軸承可靠度壽命和形狀參數B見表4。

圖3 試驗壽命結果Fig.3 Test life results

表4 軸承可靠度壽命和形狀參數Tab.4 Reliability life and shape parameter of bearing

由圖3、表4可知，軸承工作壽命隨環境溫度升高而下降，在20℃下，聚脲脂L10（90%可靠度）壽命比復合鋰基脂的高54%。由表1可知，聚脲脂的使用溫度范圍和微動磨損性能優于復合鋰基脂，但燒結載荷遠低于復合鋰基脂，承載性能相對較差（承載性能主要受添加劑的影響）。與復合鋰稠化劑相比，聚脲稠化劑可以在溝道及鋼球表面形成良好的物理吸附層，起到補充和增大接觸區潤滑膜厚的作用，因此，20℃時聚脲脂工作壽命更長。但是，當環境溫度超過50℃時，在試驗載荷的作用下，軸承內部溫度達到102℃以上，2種潤滑脂中的基礎油開始發生氧化變質，導致其潤滑性能下降，壽命縮短。尤其環境溫度超過80℃時，軸承內部溫度達到146℃，接近潤滑脂的極限工作溫度，壽命大大縮短，L10壽命僅為20℃時的3%～5%。此外，隨環境溫度升高，軸承壽命穩定性有所下降，但其形狀參數均大于3，反映了產品仍具有較高的質量一致性[9]。

2.2 環境溫度與壽命關系

試驗中溫度平均水平見表5。由表可知，在3種環境溫度下，既定載荷工況下6組試驗軸承表面溫升均為40℃左右。

表5 試驗過程溫度水平Tab.5 Temperature levels during test

環境溫度與軸承壽命的關系如圖4所示，分別擬合2種潤滑脂的環境溫度與壽命的關系曲線，得到圖中的二次函數式，即潤滑脂與環境溫度的預測函數模型。

圖4 環境溫度與軸承壽命的關系圖Fig.4 Relationship between environment temperature and bearing life

3 失效模式分析

試驗結束時，試樣的失效模式見表6，特征圖如圖5所示。

表6 試樣失效模式Tab.6 Failure modes of samples

圖5 試樣典型失效特征圖Fig.5 Typical failure characteristic diagrams of samples

所有試驗軸承均為同批次，經檢測其軸向預緊、接觸角、溝道尺寸與形位公差、溝道表面硬度與熱處理水平、材料純凈度水平均一致，這些因素不會引起6組軸承的工作壽命差異。

6組軸承壽命差異源于工作溫度對潤滑脂性能的影響，軸承在3種環境溫度下工作，外表面溫升達40℃，E，F組軸承潤滑脂的工作溫度達到140℃，接近潤滑脂的工作極限溫度。觀察試驗后的潤滑脂，A，B組潤滑脂仍保持新脂顏色，具有較好的潤滑效果；C，D組潤滑脂顏色暗淡，發生了部分氧化質變；E，F組潤滑脂嚴重發黑，已發生嚴重的氧化質變。

選取試驗后典型剝落試樣，沿剝落中心剖切，進行金相分析，結果如圖6所示。由圖可知：A，B組試樣中凸緣與鋼球均為正常疲勞剝落，有明顯的黑色疲勞組織；C～F組試樣中鋼球均屬于異常剝落，無黑色疲勞組織，剝落鋼球次表層有白化氫脆組織，這是因為在高溫及AK45載荷工況下，潤滑脂在接觸區不易形成良好的潤滑膜，隨著時間延長，潤滑膜逐漸破裂，導致接觸區形成新鮮金屬表面，新鮮金屬具有較強的化學活性，與潤滑脂發生化學反應產生氫離子，氫離子滲入承載鋼球次表層形成白色氫脆組織，進而引發脆性剝落。

圖6 剝落試樣的金相組織Fig.6 Metallographical structures of spalling samples

通過失效分析可知，在高溫和AK45特定載荷譜下，軸承壽命大幅下降與潤滑脂質變有直接關系。

4 結論

1）在20℃下，聚脲型潤滑脂壽命比復合鋰基脂的高54%，軸承失效形式為正常的接觸疲勞。

2）環境溫度超過50℃時，2種潤滑脂壽命相近，潤滑脂因高溫分解導致軸承溝道發生異常白色組織剝落，溫度越高，反應越劇烈，壽命越短。