（机械制造及其自动化专业论文）轿车轮毂轴承失效机理的理论与实验研究.pdf

轿车轮毂轴承失效机理的理论与实验研究 摘要 轿车轮毂轴承失效机理的理论与实验研究 摘要 轮毂轴承是轿车的关键部件之一，其性能直接影响轿车的整车安全 性、可靠性、运动动力性能、以及乘坐舒适性。轿车轮毂轴承作为轿车 的专用部件，具有特殊的结构与功能特征。轮毂轴承内外套圈与轿车轮 毂及传动件的联接结构特殊、空间约束苛刻、承载工况复杂，且轮毂轴承 的座圈又多为薄壁结构件。这些几何与承载方面的特殊性，一方面将引起 轮毂轴承产生不同于普通轴承的力学性能；另一方面对轿车轮毂轴承的 分析与设计应采用不同于普通轴承的特殊方法与准则。我国汽车工业起 步相对较晚，轮毂轴承的设计与应用目前大多还停留在第一代水平：而 且在应用中存在较严重的早期失效现象，有许多技术难题亟待解决。本 文的研究拟在工程应用方面，探究轿车轮毂轴承的早期失效原因、机理 和对策；在理论研究方面，探讨轿车轮毂轴承在设计与分析方面特殊的 理论与准则。 l 本文第二章对轿车轮毂轴承的失效特性进行了分析，总结概括了失效 轴承个体的典型失效型式以及失效轴承群体的统计分布规律。通过对国 内外8 0 0 余套前、后轮毂失效轴承的分析发现，前轮毂轴承具有八种、 后轮毂轴承具有七种典型失效型式。前轮毂轴承外列套圈的失效程度往 往高于内列套圈；而后轮毂轴承对中，失效主要发生在外侧小轴承。在 所有失效轴承中，等间距条状剥落失效、自大端向小端扩展的片状剥落 失效、烧伤一磨损复合失效等，是轿车轮毂轴承的主要典型失效型式。 主堕圭壅奎望查堂竖主兰垡堡兰 堑主丝墼塾墨塞墼垫里塑堡堡皇壅墼竺塞 本文第三章实验测试了轿车前轮毂轴承的载荷特性。利用实验轿车， 根据轮毂轴承系统的结构及承载特点，设计了载荷测试样本和实车测试 系统；实车测试并分析了轿车在城市道路环境下，不同行驶状态时，轮 毂轴承载荷谱的时域、幅值域和频域特征。为探究轮毂轴承失效机理提 供了外载荷实际资料。 本文第四章针对轮毂轴承座圈为薄壁复杂结构的特点，建立了轮毂 轴承及其外围结构的接触一挠曲耦合力学模型。该模型同时考虑轮毂轴承 零件的赫兹接触变形和柔性座圈的弹性挠曲变形。基于挠曲变形量相对 于接触变形的无量纲比值，提出了柔性座圈中滚动轴承应力分析必须采 用接触挠曲耦合模型的准则条件。数值计算了典型外载荷下轮毂轴承的 内部载荷和应力分布、侧向载荷对内部应力分布的影响。在此基础上， 探究了轮毂轴承外载荷、内部载荷、应力分布与轮毂轴承典型失效型式 之间的内在力学关系。 利用接触一挠曲耦合力学分析模型，通过有限元计算，本文分析了轴 承主要参数一轴承游隙对轴承性能的影响。研究发现，样本轿车轮毂轴承 的滚动体载荷随游隙的变化呈“急一缓一急”的“n ”型变化。基于以轮毂 轴承的最大滚动体载荷为目标函数，使轮毂轴承疲劳寿命和磨损寿命最 长的优化思想，数值优化了轮毂轴承的工作游隙。根据原始游隙与工作 游隙的计算模型，最终给出轮毂轴承的最佳原始游隙。 本文第五章，结合轮毂轴承宏观、微观失效特征、轿车轮毂结构特 性和载荷谱、轴承内部载荷及应力数值模拟结果，探究了轿车轮毂轴承 的失效机理。提出了轮毂轴承的三种典型失效型式的失效机理模型及失 效理论：( 1 ) 前轮毂轴承轴向套圈定位间隙与轴向交变载荷，导致条状 i i 塑主丝墼塾垦叁墼垫里塑堡鲨量壅竺旦塞塑矍 等间距剥落的广义微动磨损理论；( 2 ) 左右侧后轮轴承对的游隙差值量 变，引起后轮轴承对大小轴承承载分配易位，导致后轮小轴承过载失效 的承载易位理论；( 3 ) 配合柱面非对称受力，导致配合柱面相对蠕动， 引起擦伤及刮削微粒，造成磨粒磨损和烧伤的磨粒侵入失效理论。针对 提出的轮毂轴承失效机理，本文设计了相应的验证性试验。试验结果与 理论模拟计算和推论取得了较好的一致。 本文最后提出了轿车轮毂轴承抗失效设计策略：( 1 ) 根据轮毂轴承 在轿车总系统的作用，轮毂轴承子系统设计时，要求其可靠性应优于制 造工艺性和经济性。( 2 ) 轿车轮毂轴承游隙，应根据具体座圈结构和运 行条件优化；( 3 ) 两车轮轮毂轴承游隙误差必须严格控制在大小轮毂轴 承的轴向接触变形差值之内。( 4 ) 对于通过孔用弹性挡圈实现轮毂轴承 外圈轴向定位的装配设计，应采用分组装配，选择合适轴承外圈轴向定 位间隙，以减少等间距条状剥落失效；( 5 ) 轮毂轴承柱面配合设计及工 艺设计应尽量避免蠕动刮研；同时轴承必须有良好密封，以防止磨粒磨 损。 本文通过实验测试、数值计算、理论建模与分析，系统研究了轿车 轮毂轴承在薄壁柔性座圈的结构环境、空间力系作用的力学环境、基于 具体车型的装配环境下的失效特性、失效机理及失效对策。本文的研究 结果，可为轿车轮毂轴承的设计，从理论上提供柔性座圈结构中滚动轴 承的力学建模与分析方法，在工程应用上，提供设计策略和设计准则。7 关键词：轮毂轴承，载荷测试，失效特性，耦合模型，失效机理，设计 准则 i l l 堑王篓塑塑垦墨塾垫望塑星丝兰塞墼里塞垒! ! 里竺! ! t h e o r e t i c a l & e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no n f a i l u r em e c h a n i s mo fa u t o m o t i v eh u b b e a r i n g s a b s t r a c t h u b b e a r i n gi s as p e c i a l i z e da u t o m o t i v eu n i t ，w h i c hh a sg r e a ti n f l u e n c e o nt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c e ，r e l i a b i l i t y , s a f e t ya n dc o m f o r to ft h ew h o l e a u t o m o b i l es y s t e m h u bb e a r i n gd i f f e r sf r o mo t h e rb e a r i n g so i li t s c o m p l e x a n df l e x i b l e p e r i p h e r y , s t r i c td i m e n s i o n a lr e s t r i c t i o n ，s p e c i a lc o u p l i n g a n d f i x i n g ，a n dc o m p l i c a t e dl o a dc o n d i t i o n s a l lt h e s eg e o m e t r i ca n dm e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c sw i l lr e s u l ti ns p e c i f i cp e r f o r m a n c e ，a n dc a l lf o ru n i q u es t r a t e g y f o ra n a l y s i sa n de n g i n e e r i n gd e s i g n t h i st h e s i si sd e v o t e dt oi n v e s t i g a t et h e u n p r e d i c t e df a i l u r eo fh u bb e a r i n g sf o ra u t o m o b i l e sr u n n i n gi nc h i n a ，w i t h t h ea i mt or e v e a lt h em e c h a n i s m l y i n gb e h i n df a i l e db e a r i n g sa n d t of i n dt h e e f f e c t i v ea p p r o a c hf o ra n t i f a i l u r ed e s i g n t h e s p e c i a l c h a r a c t e r i s t i c so fh u bb e a r i n g sw i t h u n p r e d i c t e d f a i l u r e d e f e c t sa r ef i r s t a n a l y z e df r o mm o r et h a n8 0 0s e t s o ff r o n ta n dr e a rh u b b e a r i n g s c o l l e c t e d s t o c h a s t i c a l l y e i g h tt y p i c a l f a i l u r em o d e l sa r ef o u n d a m o n gf r o n t h u bb e a r i n ga n ds e v e nt y p i c a lf a i l u r em o d e l sa r ec l a s s i f i e d a m o n g r e a rh u b b e a r i n g sa c c o r d i n gt ot h e i rm a c r of a i l u r ec h a r a c t e r i s t i c s i ti s r e v e a lt h a tt h ef a i l u r ea l w a y so c c u r sm o r eo f t e na n dm o r es e v e r ei no n er o w a m o n gf r o n th u bb e a r i n g sw i t hd o u b l e r o ws t r u c t u r e ，a n df a i l u r ei sp r o n et o t a k ep l a c ei ns m a l lb e a r i n go fr e a rh u bb e a r i n gp a i rw h i c hi s d e s i g n e dt o u n d e r t a k el e s sl o a dt h a ni t s l a g e rc o u n t e r p a r t o f a l lt h eh u b b e a r i n g s ， s p a c e d g r a t i n g ，s h e e tf l a k i n ga n dw e a r - b u mf a i l u r e a r et y p i c a lm o d e l sw i t h 旦堡圭塑壅望查兰苎主兰些堡兰 堑主丝墼塾墨生整塑堡塑里丝皇塞壁竺塞 h i g hp e r c e n t a g e f o l l o w e da r et h e t e s t i n g a n da n a l y z i n go fi o a d s p e c t r a o ff r o n th u b b e a r i n g af i e l dt e s ts y s t e mf o rf r o n th u bb e a r i n gl o a dt e s t i n gi sd e s i g n e da n d at e s tc a ri s e q u i p p e d b a s e do nf r o n th u b b e a r i n g ss t r u c t u r e t h el o a ds p e c t r a a r ec o l l e c t e di n t i m e ，a m p l i t u d e a n d f r e q u e n c y d o m a i nu n d e ru r b a na n d t y p i c a lr u n n i n gc o n d i t i o n s ，w h i c hp r o v i d e af i r s t h a n dr e f e r e n c ed a t af o r f a i l u r em e c h a n i s m a n a l y s i so f h u b b e a r i n g s ac o n t a c t d e f l e c t i o n c o u p l i n g m o d e lf o rm e c h a n i c a l a n a l y s i s o fh u b b e a r i n gt o g e t h e rw i t hi t sp e r i p h e r yi se s t a b l i s h e di nc h a p t e rf o u r , w h i c ht a k e s b o t ht h eb e a r i n ge l e m e n t s c o n t a c td i s t o r t i o na n d h o u s i n g sf l e x i b l ed e f l e c t i o n i n t oa c c o u n t ac r i t e r i ai s p r o p o s e d t od e t e r m i n ew h e t l e rc o n t a c t d e f l e c t i o n c o u p l i n gm o d e l o rt r a d i t i o n a lm o d e ls h o u l db ea d o p t e dt oa n a l y z et h es t r e s s d i s t r i b u t i o no fr o l l i n g b e a r i n gi n s t a l l e d i nf l e x i b l e h o s i n ga c c o r d i n gt o t h e n o n d i m e n s i o nr a t i oo ff l e x i b l ed e f l e c t i o no v e rc o n t a c t d e f o r m a t i o n b y m e a n so ft h ec o u p l i n gm o d e l ，h u bb e a r i n g ss t r e s sd i s t r i b u t i o n ，r o l l e r s l o a d d i s t r i b u t i o na n dt h ei n f l u e n c eo fl a t e r a l l o a d ( m o m e n tb e n d i n g ) o nr o l l e r s l o a dd i s t r i b u t i o na r es i m u l a t e d w h i c hh e l p st o e x p l o r et h ei n t e r n a l r e l a t i o n b e t w e e nh u b b e a r i n g ss t r e s s ( 1 0 a d ) d i s t r i b u t i o na n d i t st y p i c a lf a i l u r em o d e l t h ei n f l u e n c eo f b e a r i n gc l e a r a n c eo nb e a r i n g sm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e i s i n v e s t i g a t e dt h r o u g hf e ma n a l y s i sw i t hc o n t a c t d e f l e c t i o nf e m m o d e l i t i sr e v e a l e dt h a tt h er o l l e r sp e a kl o a dv a r i e sw i t hc l e a r a n c ec h a n g e si na “n ” l i k ec u r v ew i t hac h a n g i n gr a t e “s h a r p m e a n s h a r p t h eo p t i m a lc l e a r a n c e b a n di s i n v e s t i g a t e df o rs a m p l eh u bb e a r i n gw i t ht h er o l l e r sp e a kl o a da s t a r g e tf u n c t i o ns oa st og e tt h el o n g e s tb e a r i n g l i f e i nt h ef i f t h c h a p t e r , t h r e e f a i l u r em e c h a n i s mm o d e l sa n dt h e o r yf o r t y p i c a lf a i l u r e o fh u bb e a r i n ga r ed e v e l o p e do nt h eb a s i so fm a c r o ，m i c r o v 塑塑量坚塑型塑里墅里堡皇壅竺里塞 竺! 旦坠兰! f a i l u r e c h a r a c t e r i s t i c s ，s t r u c t u r a la n df i x i n gt r a i t ，e x t e m a ll o a da n di n t e m a l s t r e s sa n di o a dd i s t r i b u t i o no fh u bb e a r i n g s ：( 1 ) g e n e r a l i z e d f r e t t i n gw e a r t h e o r yo fs p a c e d g r a t i n gr e s u l t e di na l t e r n a t i n gl o a da n df i x i n gc l e a r a n c ei n a x i so ff r o mh u bb e a r i n g ；( 2 ) l o a dd i s p l a c i n g t h e o r yo fr e a rh u bb e a r m g f a t i g u ef a i l u r er e s u l t e df r o mc l e a r a n c ed i f f e r e n c eo ft h el e f ta n dr i g h tr e a rh u b b e a r i n gp a i r s ；( 3 ) a b r a s i v ee n t r yt h e o r yo fw e a r - b u mf a i l u r er e s u l t e df r o m s c r a t c h i n gg r a i no f t h es u r f a c eu n d e r u n s y m m e t r i c a li o a d t e s t sa r ed e s i g n e d t ov a l i d a t et h er e l a t e df a i l u r em e c h a n i s mm o d e l s f i n a l l y , a n t i - f a i l u r ed e s i g ns t r a t e g i e sf o rh u bb e a r i n g sa r ep r o p o s e di n c h a p t e rf i v e ：( 1 ) h u bb e a r i n g sr e l i a b i l i t ya n df u n c t i o n a l i t yi s s u p e rt o i t s e c o n o m i ca n dm a n u f a c t u r a b i l i a 一 t y w h e n ( 2 d ) e s i g n h u bb e a r i n ga ss u bs ystemamong t h ew h o l ea u t o m o t i v es y s t e m ；t o o p t i m i z et h ec l e a r a n c eo fh u b b e a r i n gb o t ht h eh o u s i n gs t r u c t u r ea n dt h er u n n i n gc o n d i t i o ns h o u l db et a k e n i n t o a c c o u n t ；( 3 ) c l e a r a n c ed i f f e r e n c eo fm el e f ta n dr i g h th u bb e a r i n g s s h o u l db ec o n t r o lt i n d e rt h ec o n f m e so fa x i a lc o n t a c td i s t o r t i o nq u a n t i t yo f t h e h u bb e a r i n gp a i r st oa v o i dt 1 eu n p r e d i c t e df a i l u r eo fs m a l lr e a rh u bb e a r i n g ； ( 4 ) g r o u p i n ga s s e m b l y s h o u l db e a d o p t e dt o s e l e c ts u i t a b l ea x i a l f i x i n g c l e a r a n c et ol o w e rs p a c e d - g r a t i n gf a i l u r em o d e lr e s u l t e df r o m f r e t t i n gw e a r ； ( 5 ) i no r d e rt oa v o i da b r a s i v ew e a r , c r e e p i n gb e t w e e nb e a r i n gr a c ea n di t s c o u m e 叩a r ts h o u l db el i m i t e da ss m a l la sp o s s i b l et om i n i m i z et h eq u a n t i t y a n ds i z eo ft h ea b r a s i v e ，a n db e a r i n gs e a ls h o u l da l w a y sk e e pi n w o r k i n g c o n d i t jo n t h et h e s i sm a k e sas y s t e m a t i cr e s e a r c ho f a u t o m o t i v eh u b b e a r i n gw i t h f l e x i b l eb e a r i n gh o u s ea n du n d e r c o m p l e xl o a dc o n d i t i o n ，o ni t su n p r e d i c t e d f a i l u r ev i ae x p e r i m e n ta n d t e s t i n g ，n u m e r i c a lc a l c u l a t i o na n ds i m u l a t i o n ，a n d t h e o r e t i c a l m o d e l i n g a n d a n a l y s i s t h e r e s e a r c hr e s u l t sa b o u tf a i l u r e m e c h a n i s mm o l l sa n da n t i f a i l u r ed e s i g nc r i t e r i aw i l ls u p p l yt h e o r e t i c a la n d v i 申请上海交通大学博士学位论文轿车轮毂轴承失效机理的理论与实验研究 p r a c t i c a lr e f e r e n c ef o r a n t i - f a i l u r ed e s i g no fh u b b e a r i n g s k e yw o r d s ：h u bb e a r i n g s ，l o a dt e s t i n g ，f a i l u r ec h a r a c t e r i s t i c s ，c o u p l i n g m o d e l ，f a i l u r em e c h a n i s m ，d e s i g n i n gc r i t e r i a v l l 轿车轮毂轴承失效机理的理论与实验研究 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源及立题意义 轮毂轴承是汽车中最重要的关键零部件之一，在国外一直受到汽车设计和制造 人员的关注。轮毅轴承性能直接影响汽车的运动性能、安全性、可靠性以及乘坐舒 适性。因此，美、日、欧洲等汽车工业发达国家的主要汽车公司如美国通用、福特， 日本的丰田、本田、尼桑等对于汽车轮毂轴承的研究都给予了特别的重视，纷纷与 世界著名轴承公司如t i m k e n 、s k f 、n s k 、f a g 、n t n 、k o y o 合作，长期系统地进行 汽车轮毂轴承的研究工作，开发研制出各种适用于汽车工作环境的专用轮毅轴承。 目前，国际上汽车轮毂轴承已经发展进入第五代川【2 l 。 我国汽车工业起步较晚，轿车轮毂轴承基本还处于第一代水平，即使如此，我 国轿车轮毂轴承在具体使用中还存在较严重的早期失效现象。从近几年某型轿车售 后服务部门反馈的信息来看，前轮驱动机构总成中的前轮毂轴承( 双列圆锥滚子轴 承) 和后桥总成中的后轮毂轴承( 圆锥滚子轴承) 都普遍存在早期失效问题，其中， 前轮毂轴承早期失效情况尤为严重。这些早期失效轴承来自不同厂商，既有国产轴 承，又有国外轴承。因而，引起轿车轮毂轴承出现早期失效的原因，既可能来源于 轴承材料、结构等内在因素，也可能与轴承安装、维修和使用环境等有关。为了彻 底探明导致轿车轮毂轴承发生早期失效的症结，提高整车可靠性，迫切需要对轿车 轮毂轴承的关键技术进行研究。本论文的直接支持课题为上海汽车科技发展基金资 助课题“轿车轮毂轴承关键技术研究”。 轿车轮毂轴承座圈为结构复杂的薄壁柔性系统，具有多层接触关系。在进行轮 毂轴承的设计与分析时，不能简单沿用普通轴承的力学分析模型1 3 ，需要采用新的 设计与分析模型，同时考虑轴承座圈支承刚度和结构形状对轴承滚动体应力及载荷 分布的影响。另一方面，轮毂轴承要同时承受垂直于路面的垂直负荷，转弯及不平 路面引起的侧向负荷，咀及加速和制动时的纵向负荷外，还要承受弯矩等载荷作用。 本文拟通过对样本轿车轮毂轴承的失效统计分析、外部载荷谱测试、内部载荷 与应力分布模拟、重要参数优化等研究，探索轿车轮毂轴承典型失效机理建立失 效机理模型，提出轿车轮毂轴承抗失效设计、制造和工艺方面的策略或措施，以提 申请上海交通大学博士学位论文轿车轮毂轴承失效机理的理论与实验研究 高我国在轿车研究开发方面的自主能力。 1 2 汽车轮毂轴承结构特性及发展动态 7 0 年代初，日本n s k 公司率先创制了汽车后轮圆锥滚子轴承，以适应半轴变 形从而极大地延长了轴承寿命；1 9 7 2 年德国推出汽车前轮毂轴承：1 9 7 6 年日本 公布了一项汽车前轮用内圈有双锥角滚道的圆锥滚子轴承专利；同年，美国公布了 滚子具有正倾角的双列调心滚子轴承专利，用于汽车前轮1 4j 。近年来，随着轮毅轴 承单元的发展，各种集成化的轮毂轴承单元己开始广泛应用于汽车的转向轮和非转 向轮中 t l 。 1 2 1 五代轮毂轴承的结构演变 1 ) 第一代轮毂轴承 使用最早的轮毂轴承由两套单列向心球轴承、深沟球轴承、或圆锥滚子轴承组 成。改进两套单列轴承导致采用预调游隙的密封双列轴承，使轴承游隙在制造时就 调整正确，轴承本身设有的密封和润滑能够避免安装时污物进入润滑脂。这种扩展 了润滑、密封及调整游隙功能的轮毂轴承，被称为第一代轮毅轴承。双列角接触球 轴承和双列圆锥滚予轴承都属于第一代轮毂轴承。 第一代轮毂轴承的典型结构双列角接触球轴承，采用整体外圈、两个内圈、尼 龙保持架及橡胶密封圈，轴承内部填充了润滑脂。轴承游隙已在轴承装配时预调， 安装时勿需进行游隙调整。轴承外圈与轮毂采用紧配合，由止动环、挡边或螺母作 轴向定位：内圈与轴套采用轻推配合，由万向节尾部的螺母轴向定位。典型结构如 图1 1 ( a ) 所示。 2 ) 第二代轮毂轴承 第二代轮毅轴承是在第一代轮毂轴承外圈上集成凸缘演变而成。轮毂轴承这一 结构与功能的扩展使轮毂支承结构大为简化，安装也变得简单容易。角接触球轴承 和双列圆锥滚子轴承的外圈集成法兰盘后都属于第二代轮毂轴承。 第二代轮毂轴承在第一代轮毂轴承的基础上，将密封和脂润滑功能集成在轴承 单元内部，从而进一步简化了轮毂总成的结构，减少零件数量降低安装费用及加 工费用等。此外，这种轴承单元的结构是对称的，不必担心安装或维修时将轴承倒 堑兰跫墼塑垦叁塑塑里些里堡皇塞矍翌茎 苎二兰堕堕 置。其典型结构如图1 1 ( b ) 所示。 3 ) 第三代轮毂轴承 第三代轮毂轴承是在内外圈都带法兰的双法兰轮毅轴承单元，其内圈凸缘兼有 轮毂的作用，用于支承车轮和制动盘，外圈凸缘则用于连接悬挂装置。轮毂轴承兼 有轴承本身、短轴以及普通轮毂的功能。这种结构可减小轮毂总成的重量与外形尺 寸。第三代轮毂轴承套圈刚性好，轴承在安装和使用中几何形状不会发生太大变化， 其典型结构如图1 1 ( c ) 所示。 4 ) 第四代轮毂轴承 第四代轮毂轴承是在第三代轮毂轴承基础上集成等速万向节外套。等速万向节 的外套兼作轴承的一个内套，通过等速万向节外套尾部的螺母将轮毂轴承单元的有 关零件组合成一个整体，称为第四代轮毂轴承。 第四代轮毂轴承的技术性能和经济效果都达到了一个新的水平。其典型结构如 图1 1 ( d ) 所示。 5 ) 进入第五代轮毂轴承 第五代轮毂轴承正在形成。其核心是在轮毂轴承中集成防抱死系统( a b s ) 信 号发生器。其典型结构如图1 1 ( e ) 所示，传感器和脉冲轮均集成在轴承单元内部， 将a b s 传感器设置在轴承单元左侧，与压x 9 i 套左侧的脉冲轮径向相对。轴承内套 中部有一通孔，用以引入集成传感器的电缆。 ( a ) 第一代轮毂轴承典型结构( b ) 第二代轮毂轴承典型结构( c ) 第三代轮毂轴承典型结构 3 申请上海交通大学博士学位论文轿车轮毅轴承失效机理的理论与实验研究 黔构酬+ ( d ) 第四代轮毂轴承典型结构( e ) 第五代轮毂轴承典型结构 图i - 1 五代轮毂轴承典型结构型式 f i g1 - 1t y p i c a ls t r u c t u r eo f h u bb e a t i n g so f f i v eg e n e r a t i o n 1 2 2 国内外汽车轮毂轴承发展现状 目前，国外轮毂轴承结构已经发展进入第五代，轮毂轴承技术相当成熟，轮毂 轴承的技术标准已经比较完善，严格控制硫、磷和钛的含量，含氧量控制在3 - 5 x 1 0 4 之内。这是因为美、日、欧洲是汽车工业发达国家，汽车本身技术发展促使轮毂轴 承的设计、制造、试验及应用技术取得了长足进展。九十年代，十多种汽车轮毂轴 承结构设计专利分别在美国、日本、欧洲申请【5 】i ”。国外汽车轮毂轴承的旋转精度 比尺寸精度高一个等级，甚至更高。但就设计和应用而言，轴承特性、游隙、润滑 与密封仍然是各代轮毂轴承主要技术难题。 目前，我国已经具备第三代轮毂轴承生产能力 4 1 ，但我国汽车( 如标致轿车、 s a n t a n a 轿车、长安s c 7 0 8 0 微型轿车等) 的轮毂轴承基本还停留在第一代水平。 我国在轮毂轴承基础和应用研究方面起步相对较晚，有许多基础技术问题亟待解 决。我国汽车工业界剐刚开始与轴承公司和高校联合进行轮毅轴承技术研究。我国 汽车轮毅轴承用钢尚无统一标准，轮毂轴承材料从含氧量看，只有上钢五厂的g c r l 5 钢能达到1 5 x 1 0 。6 ，而多数使用的轴承钢含氧量在2 8 3 5 x 1 0 。6 之间，这成为我国汽车 轮毂轴承技术发展的个障碍 7 】【8 1 。另外，与国外相比较，国产轮毅轴承的轮毂轴 承旋转精度至少差一个精度等级。 1 3 滚动轴承相关技术研究动态综述 本文从轴承材料、制造、设计、失效、检测等几个方面。综述滚动轴承技术研 4 堑主丝塑塾垦鲞塾盟里塑里丝复兰墼旦塞墨二兰堕堡 究动态。 i ) 滚动轴承材料 国外滚动轴承先进经验之一就是优先发展材料科学。轴承的结构特点和工作条 件要求轴承材料必须具备高的硬度、耐磨性、接触疲劳强度、弹性极限、良好的冲 击韧性、断裂韧性、尺寸稳定性、防锈性能和冷热加工等性能【9 】。轴承材料技术水 平，在很大程度上代表着一个公司、一个国家轴承工业水平。滚动轴承材料主要指 轴承合金钢。为了适应特殊的工况，非金属也被采用制造轴承的套圈和滚动体等。 常用的非金属轴承材料是塑料和陶瓷。 ( ”轴承钢 世界公认，轴承钢水平是一个国家冶金水平的标志。轴承钢质量是所有合金钢 中要求最严格、检验项目晟多的钢种。a i s l 5 2 1 0 0 是目前普遍使用的轴承钢其技 术规范大约1 9 2 0 年出现。此后，在世界范围内对轴承钢展开了广泛的基础研究。 1 9 4 7 年，j o n e s 首先发现滚动体疲劳裂纹析出非金属杂质，这些杂质引起拉压 或扭转式样裂纹处的应力集中。7 0 年代z a r t s k y 研究表明，用真空弧重熔( v i m v a r ) a i s i m - - 5 0 制造的轴承，其寿命是用空气炉熔炼钢制造轴承的4 4 倍。约是单次真 空熔炼( c v m ) 钢制造轴承寿命的2 3 倍。b a m b e r g e r 研究表明在d n = 3 1 0 4 m m r m i n 时，用v i m v a r a i s i m 一5 0 制造的轴承寿命是单次真空熔炼钢轴承寿命调节参数的 7 6 倍。硬度是减少滚动体疲劳最重要的因素，轴承硬度大于r c 6 0 时有利于提高轴 承寿命。这将限制材料硬度的回火温度必须高于滚动轴承工作的最高温度。z a r e t s k y 于1 9 9 0 年公布了用多型钢制造滚动体和套圈时，可通过渗碳、氮化等手段提高轴 承硬度的研究成果【4 】。 p k p e a r s o n 研究发现轴承表面的拉应力在1 4 0 2 0 0 m p a 就足以引起高硬度钢 材疲劳裂纹扩展，当裂纹沿径向扩展时，轴承易于发生断裂【1 0 】。9 0 年代t a h a r r i s 和e vz a r e t s k y 研究发现轴承周应力及材料残余拉应力将缩短高速轴承疲劳寿命 f 1 2 】【1 卦，并提出要避免残余拉应力，应尽量避免高温热变形和表面二次淬火。f o o r d 研究认为轴承表面残余压应力能够抑制疲劳裂纹的产生和扩展速度，从而延长轴承 寿命。相关研究还表明，马氏体的含量在0 5 0 4 5 间，轴承零件的疲劳寿命值最 高。碳化物粒度细小，形状整齐，分布均匀可以延长轴承的使用寿命【1 4 】。轴承润滑 油膜及其轴承表面的氧化膜对轴承的寿命都有影响。 ! 堕圭塑茎望查兰竖主兰些堡苎堑圭丝丝塑墨叁塾垫堡塑曼堕兰壅丝塑茎 基于轴承钢基础研究理论，近3 0 年来轴承钢技术在开发和应用上取得了巨大 的进步。以炉外精炼与真空脱气为代表的一系列先进技术，使轴承钢的氧含量达到 3 - 8 1 0 4 ，非金属杂质物细小分散且含量极低，表面无脱碳，无裂纹，碳化物分布 均匀，钢的接触疲劳寿命比3 0 年前提高3 0 倍【1 6 1 。 西方各著名公司已全部采用真空脱气钢生产轴承，性能要求特别高的航空、航 天、重要的军工轴承则普遍采用电渣重熔( e s r ) 、真空感应冶炼( m ) 、真空白 耗冶炼( v a r ) 、双真空冶炼( v d + v a r ) 、真空感应加电渣重熔等多种方法来生产 超纯轴承钢，以保证轴承接近1 0 0 可靠性的要求。 目前，国外已经完成了高碳铬轴承钢、渗碳轴承钢、不锈轴承钢、高温轴承钢 等四大类轴承钢的开发与应用。以下主要综述我国在轴承钢技术方面上所取得的许 多突破性进展 1 7 】。 高碳铬轴承钢系列 我国的高碳铬轴承钢虽然标准中规定有5 个牌号，但目前实际使用的主要是 c r l 5 和g c r l 5 s i m n 。1 9 9 3 年经行业抽查，认为用g c r l 5 和g c r l 5 s i m n 制造的壁厚 3 0 m m 的套圈、直径 5 0 m m 的滚子、直径 8 0 m m 的钢球的硬度多数达不到要求。 为解决大壁厚轴承用钢问题，近几年相继发展了g c r l 8 m o 和g c r l 5 s i m o 两种高淬 轴承钢。1 9 9 8 年研制成功c c r 4 是一种合金含量低、淬透性低于g c r l 5 而高于碳素 钢的材料，利用其淬透性有限的特点，经过特别的“体积一表面淬火”工艺，达到表 面硬化而心部软韧的效果。它具有冲击韧性、断裂韧性特别好，表面有高的残余应 力，疲劳寿命、耐磨性能都很好的特点，并且价格是所有轴承钢中最廉价的。 渗碳轴承钢 普通渗碳轴承钢标准( g b 3 2 0 3 8 2 ) 中提出6 个钢号：g c r 2 0 c r m o 、g 2 0 c r n i m o 、 g 2 0 c r n i 2 m o 、( 挖o c r 2 n i 4 、g 1 0 c r n i 3 m o 、g 2 0 c r 2 m n 2 m o 。它们主要用于拖拉机、 汽车等承受冲击载荷较大的轴承。近几年国内基本未发展新型渗碳轴承钢。由于近 年来滚针轴承发展较快，部分滚针套、保持架采用0 8 、1 0 、1 5 m n 、1 5 c r 、1 5 c r m o 等钢通过渗碳、碳氮共渗、软氮化等表面强化处理来制造。也有些渗碳铜球要用低 碳钢或2 0 c r 来制造。 不锈轴承钢 不锈钢纳入专用标准的有9 c r l 8 、9 c r l 8 m o 和c r l 4 m 0 4 。它们都属于高碳马氏 堑兰丝墼塑墨墨垫塑墨盟型笙兰三堕堑塞墨二里堕笙 体不锈钢，淬火回火后具有高硬度( h r c 5 8 以上) ，及很好的抗腐蚀能力。9 c r l 8 一般用于2 0 0 0 c 阻下、9 c r l 8 m o 用于2 6 0 0 c 以下，而c r l 4 m 0 4 可用到3 1 5 0 c 。这些 不锈钢的缺点是含c 量高，c 与c r 形成粗大的一次碳化物，降低材料的机械性能， 减小c r 元素对抗腐蚀的贡献。美国通过降低此类钢的c 含量，适当增加n 的含量， 不仅提高其硬度，而且还提高其耐腐蚀性。近期国内正开展这方面的研究工作。 高温轴承钢 高温轴承钢主要用于航空、航天。目前我国使用的高温轴承钢主要有9 c r l 8 m o ( 最高使用到2 6 0 0 c ) 、c r 4 m 0 4 v ( 3 1 5 0 c ) 、c r l 4 m 0 4 ( 4 8 0 0 c ) 、w 6 m 0 5 c r 4 v 2 ( 4 8 0 0 c ) 、 w o c r 4 v 2 m o ( 5 2 0 0 c ) 、w 1 8 c r 4 v ( 5 6 0 。c ) 、w 1 2 c r 4 v 5 c 0 5 ( 5 9 0 0 c ) 。 由于飞机速度提高的需要，轴承d n 值超过2 2 1 0 6 时全淬透钢承受不了巨大 的离心力会立即碎裂，我国研制成功双真空冶炼的高纯度高温渗碳轴承钢 h l o c r 4 m 0 4 n 珥v ，同时解决了渗碳热处理工艺技术问题，所生产的轴承装机试验， 完全满足目前航空工业发展的需要。 美国波音发动机所用的高温钢m i o 、m 5 0 、m 3 1 5 等，英国斯贝发动机所用的 高温轴承钢m s r r 6 0 1 5 、6 0 2 7 、6 0 2 4 等，我国也都可以成功地国产化。 中碳轴承钢 我国的中碳钢主要有5 5 钢，真空脱气处理，用于制造等速万向节壳体。5 0 m n a 钢，用于制造大型回转支承套圈。7 0 m n 钢，经真空脱气处理，用于制造轿车轮毂 轴承。5 c r m n m o 钢，用于制造直径超过2 m 的特大型轴承套圈，也用于制造大型关 节轴承。6 0 c r m n m o a 钢，用于制造关节轴承。5 5 s i m o v a 钢，是我国开发的抗冲 击轴承钢，用于制造石油钻机涡轮钻具滚动轴承和石油、矿山用牙轮钻具的钻头滚 动体，具有特别好的抗冲击、耐磨粒磨损、耐疲劳性能。 ( 2 ) 非金属材料 塑料 塑料质量轻，具有自润滑性、摩擦系数低等优点。塑料被广泛用于制造滚动轴 承保持架。德国s k f 公司有7 0 的圆柱滚子轴承和8 5 的新一代圆锥滚子轴承采 用了塑料保持架，f a g 公司生产的塑料保持架轴承占其轴承总产量的3 0 。我国汽 车前轮毂轴承一般都采用塑料保持梨博 。 陶瓷 皇堡圭塑窒望查堂苎圭堂垡堡苎堑兰丝