（车辆工程专业论文）深冷强化轮毂轴承的疲劳寿命试验及结构优化.pdf

c a n d i d a t e ：w a n gl e i a d v i s o r ：w a n gq i u c h e n g c o l l e g eo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g z h e j i a n gu n i v e r s i 堪o ft e c h n o l o g y m a y2 0 1 0 浙江工业大学 学位论文原创性声明 ：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 本人承担本声明的法律责任。 夏弘 日期：一年石月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 、 2 、不保密随 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 毛磊 v 碱 日期：加f o 年石月7 日 日期：p 。年 舌月日 及结构优化 接关系着汽车安全性能。国 而影响其寿命及可靠性。针 材料中粗大的残余奥氏体转 并且在相同的热处理工艺条 减少轴承应力集中部位的最 包括： 1 深冷处理工艺方案的设计与工艺参数优化对轮毂轴承内外圈淬火后，进行4 种不同 工艺参数的深冷处理，并对零件在不同工艺参数下的机械性能进行测试。结果表明， 当深冷温度为8 0 时，轮毂轴承的综合性能达到最佳。 2 不同深冷处理工艺参数的疲劳寿命强化试验研究在a b 卟1 a 型轴承疲劳寿命试验机 上对不同深冷处理工艺参数的轮毂轴承进行疲劳寿命强化试验。试验结果表明，当深 冷温度和深冷时间为8 0 、1 2 0m i n 时，轮毂轴承的寿命达到最大，其值为3 9 5 3 7 1 0 6 r 。 3 d a c 4 0 7 4 0 4 8 4 0 型轮毂轴承的有限元分析利用有限元软件建立了轮毂轴承装配体的 有限元模型，通过对其进行静力学分析，得到了其应力集中部位及其最大m i s s e s 应力值， 其值为8 4 7 6 a ，应力集中位置在内外圈的滚道处。 4 d a c 4 0 7 4 0 4 8 4 0 型轮毂轴承的结构优化选取三个结构参数，利用正交设计法分别对9 组方案进行静力学分析，通过对计算结果的极差分析和方差分析得到三个结构参数对 整个轮毂轴承的影响程度大小和最优的结构参数。 通过深冷处理改善轮毂轴承的热处理工艺，并根据疲劳寿命试验结果进行结构优化提 高其承载能力，以达到提高轮毂轴承疲劳寿命的共同目标。 关键词：深冷处理，轮毂轴承，结构优化，强化试验 h u bb e a 血gi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ta u t o m o b i l ec o m p o n e 鹏i t sr e l i a b i l 岭a 1 1 df a t i g u e l i f ep l a ya ni m p o r r c a n tr o l ei np e r f o m a n c eo fv e k c l es e c u r i 哆t h e1 1 i g hl e v e lo fr e s i d u a la u s t e n i t e o fd o m e s t i ch u bb e a r i n ga 缸e rh e a tt r e a t m e n tl e a d st om ei i l s t a b l eq u a l i 哆s ot h a ti t sf a t i g u e1 i f e a n dr e l i a b l i 够w e r er e d u c e d b a s e do nt h ep r o b l e m sa b o v e ，c r y o g e n i c 订e a ：n n e mw a su s e dt o i m p r o v et h em a t e r i a l sm i c r o s t 九l c n l r e ，w h j c hc a nt 啪c o a r s ea u s t e i l i t ei m os m a l lm a r t e i l s i t es o 血a ti tc a l le n l l a n c ei t sm e c h a l l i c a jp r 叩e n i e ss u c ha sh a r d n e s sa n dw e a rr e s i s t a n c e m e a n 幅1 e ， 廿l es t n l c t u r eo f 也eh u bb e a r i n gw a l so p t i m i z e du n d e rm es 锄eh e a t 仃e a t m e n ts ot l l a j ci tc a n r e d u c e 也em a x i m u ms 仃e s so fs t r e s sc o n c e n n a t i o ni nt l l eh u b b e a r i n g ，w m c hc a ni m p r o v et h e f i a t i g u el i f ea n dr e l i a b i l i 够o fh u bb e 撕n gm r t h e r t h em a i l lr e s e a r c hc o n t e n t sa n da c l l i e v e m e 鹏 a r ea sf 0 1 1 0 w s ： 1 t h ed e s i g l lo fc r y o g e n i ct r c ：a 衄e n ta n dt l l eo p t i m i z a t i o no fi t sp r o c e s sp a r 锄e t e r s w h e n t l l eo m e rr i i l ga n di n l l e rn n go ft h eh u bb e 撕n gw e r eh e a t t r e a t e d ，c 巧o g e l l i c 仃e a n l l e mo ff o u r d i 恐r e mp r o c e s sp 扰u 1 1 e t e r sw e r ec a 玎i e do u t 撕e rq u e n c l l i n g a n dt h e i rm e c h a i l i c a lp r o p e n i e so f d i 艉r e mp r o c e s sp a r a m e t e r sw e r et e s t e d t h et e s tr e s u l t si n d i c a t et 1 1 a t 、v h e n 也et e m p e r a _ t u r eo f c r y o g e i l i ct r e a 伽e n ti sc o n t r o l l e da t 8 0 t h em e c h 砌c a lp r o p e r t i e so ft h eh u bb e a d n gr e a c ht l l e p e a k 2 f a t i 娶l el i f es t r e n g t h e nt e s tu n d e rc r y o g e l l i ct r e a t m e mo fd i 丘e r e n tp r o c e s sp a r a m e t e r s t h es t r e n 勘e nt e s to ft h eh u b b e 撕n gu 1 1 d e rt 1 1 ec 巧o g e i l i c 仃e a t n l e n to fd i 舵r e mp r o c e s s p a r a m e t e r sw a sm i l i z e dt ov e r i 匆t l l e i rf 乱i g u el i f eo nt l l ea bl ，r - la b e 撕n g sf i a t i g u el i f et e s t i n g t ot ：h ef l a t i g u el i f et e s tr e s u ho ft _ h eh u bb e a r i n gu n d e rc r y o g e i l i c 仃e a t r r l e n t ，t h eb e a r i i 坞c a p a c i t y w a si i n p r o v e db ys t m c t u r a lo p t i m i z a t i o ns ot h a t “c a u la c l l i e v et h ec o m m o ng o a l ，w l l i c hi st l l e m a x i m i z a t i o no ft h ef 撕g u el i f eo ft h eb e a r i n g k e yw o r d s ：c r y o g e n i c 仃e a 仰e n 乞h u bb e a r i n g ，s t m c t u r a lo p t i m i z a t i o 玛s t r e n g m e nt e s t 浙江工业大学硕士学位论文 符号说明 c 5 0 平均动载荷，k n c 额定动载荷，k n d w 钢球直径，m m d 、厂球组节圆直径，m m f 轴承承受的等效载荷，k n f r 轴承所受的径向载荷，k n f 。轴承所受的轴向载荷，k n f 单列轴承当量动载荷与双列轴承当量动载荷转换系数 g 加载砝码质量，埏 g 与滚动体有关的参数，球轴承取1 3 ，滚子轴承取3 1 0 k 轴承动载荷转化为c 5 0 的系数，球轴承取1 5 2 0 ，滚子轴承取1 4 5 8 l l o 额定计算寿命，h 或1 0 6 r l 5 0 平均计算寿命，h 或1 0 6 r l lo t 额定寿命的试验估计值，h 或1 0 6 r l 5 0 t 平均寿命的试验估计值，h 或1 0 6 r l i 第i 套轴承样本的实际寿命，h 或1 0 6 r m 。轴向载荷与径向载荷之比 n 应力循环次数，以1 0 6 次计 n 轴承转速，r m i n ；试验轴承的总套数，套 p 当量动载荷， s 径向载荷引起的轴承内部轴向分力，n s b c 两列钢球中心的轴向距离，m m x 径向系数 y 轴向系数 a 接触角 丫轴承在载荷f a d 下试验得到的寿命值n ，取对数后得到的平均值 e 寿命指数，球轴承取3 ，滚子轴承取1 0 3 1 1 额定动载荷的修正系数 i 1 1 1 1 ： ：! 4 4 z l 6 1 3 3 有限元技术在轴承结构优化中的应用8 1 4 课题来源及主要研究内容l1 第2 章轮毂轴承的深冷处理工艺方案与参数优化1 2 2 1 深冷处理机理及特点1 2 2 1 1 深冷处理机理1 2 2 1 2 深冷处理的特点及应用1 3 2 2 深冷处理工艺及设备1 3 2 2 1 深冷处理工艺1 4 2 2 2 深冷处理设备。1 5 2 3 轮毂轴承的深冷处理1 5 2 - 3 1 试验材料1 5 2 3 2 深冷处理方案16 2 4 深冷处理工艺对轮毂轴承机械性能的影响1 9 2 4 1 硬度测量及试验数据分析1 9 2 4 2 冲击韧性试验及数据分析2 0 2 5 本章小结2 2 第3 章深冷工艺提高轮毂轴承疲劳寿命的强化试验研究2 3 3 1 轴承强化寿命试验2 3 3 1 1 轴承强化寿命试验的理论基础2 3 3 1 2 轴承强化寿命试验方法2 5 3 2 不同工艺参数下的轮毂轴承疲劳寿命强化试验2 6 3 2 1 试验条件及试验方法2 6 3 2 2 试验结果2 9 3 3 疲劳寿命试验分析及数据处理2 9 3 3 1 确定加载砝码质量2 9 3 3 2 试验数据分析3 0 3 4 本章小结3 3 第4 章d a c 4 0 7 4 0 4 8 4 0 型轮毂轴承的结构优化3 4 参考文献5 5 j g 【谢5 8 攻读学位期间参加的科研项目和成果5 9 与机座做相对旋转、摆 物时，如果以圆木作为 动轴承的设计和制造开 十年代以来，滚动轴承 电子计算机等领域中进 一步发展。但是，如何使滚动轴承达到性能好、寿命长、可靠性高，一直是轴承行业面临 的一个重要问题。 汽车轮毂轴承作为一种结构特殊的滚动轴承，是汽车的重要安全配套件之一，其内外 套圈为薄壁柔性复杂结构，其安装空间十分苛刻，分别与汽车轮毂及传动件进行联接，运 行中的承载工况非常复杂【2 j 。目前，国内的轮毂轴承与国外相比存在很大的差距。我国轮 毂轴承的实际寿命大约在1 0 万公里左右，汽车行业要求轮毂轴承等重要部件的质量保证 期为3 年或6 万公里。而国外的汽车主机制造商则往往要求在1 5 万公里的行车里程里不 更换轮毂轴承，欧洲有些汽车制造商甚至要求3 0 万公里以上。其主要原因是国内轴承的 制造及设计技术达不到国际主流汽车制造主机厂的配套要求，从而导致大多数主流汽车轴 承依靠进口。于是，提高轴承的使用寿命便成为了当前国内轴承行业主要的研究课题之一。 本文以d a c 4 0 7 4 0 4 8 4 0 型汽车轮毂轴承为研究对象，采用深冷技术改善其热处理工艺 质量，并在a b l t - 1 a 型轴承疲劳寿命试验机上进行疲劳寿命强化试验，根据试验结果得 到结构设计方面的薄弱环节，结合有限元技术与正交试验设计技术为轮毂轴承结构优化提 供一种高效的设计方法，提高其承载能力，达到延长轮毂轴承寿命的目标。 l 。1 2 轴承的寿命指标 轴承的寿命：轴承中任意一个元件出现疲劳点蚀前所经历的总转数，或在一定转速下 的总工作小时数。由于轴承寿命相当的离散，因此在检测轴承寿命时，应与一定的可靠度 相互联系起来。 1 浙江工业大学硕士学位论文 轴承的基本额定寿命：一批型号相同的轴承在相同条件下运转，有1 0 的轴承产生疲 劳点蚀前的总转数或在一定转速下的总工作小时数，即当可靠度为9 0 ( 失效概率为1 0 ) 时，轴承的寿命。 可靠寿命：根据可靠度函数，对于给定的可靠度，可求得产品的工作时间，这个时间 称为可靠寿命。机械零部件中常用的是可靠度为o 9 或o 6 3 2 的可靠寿命，称为b 1 0 或特征 寿命t 。 平均寿命：平均寿命标志着产品平均工作时间的长度，是一个非常重要的寿命指标， 因为它能较直观地反映产品的质量水平，而且便于产品之间的可靠性水平的比较，所以应 用非常广泛。对于不可修复的产品，平均寿命就是平均寿终时间，指从开始使用起，直到 发生故障之前的无故障工作时间的平均值；对于可修复的产品，平均寿命指的是一次故障 发生后到下次故障发生之前无故障工作时间的平均值。 1 2 轴承强化试验的意义与分类 1 2 1 轴承强化试验的目的与意义 轴承强化试验的目的是通过试验过程中所获得的有关轴承的失效信息来对其性能指标一 进行评估。目前，轴承行业广泛采用的强化试验技术是依据故障物理学，把故障或失效当 作研究的主要对象，通过对试样施加单一或综合的极限环境应力，快速激发产品潜在的缺 陷，从而在相对较短的时间内获得试验结果，提高试验效率。疲劳寿命的概念首先由沃勒 ( w o l l l e r a ) 在1 9 世纪中期提出的，他首先在旋转弯曲疲劳试验机上进行开创性的试验研究， 提出了应力寿命图和疲劳极限的概念。轮毂轴承疲劳寿命强化试验是提高轮毂轴承的转速 或载荷，使其在比正常使用环境苛刻的试验条件下工作，从而使得轮毂轴承的薄弱环节， 如密封、润滑及其他因素快速的发生失效，可以使研究者在较短的时间内，花费较少的精 力和财力获取一批用于分析的数据，推断出在常规条件下轮毂轴承寿命的规律，通过发现、 分析和根治故障达到提高轴承性能指标的目的。前苏联、瑞典的s k f 、日本的n s k 、n 烈、 n s k i 强m 、奥地利的s k f s t e y r 、美国的s k f 和f & m 公司均采用加大试验载荷来达到快 速试验的目的。日本和欧美等国家的深沟球轴承强化试验中所采用的试验载荷已经接近或 超过额定载荷的一半。 在国外，早在2 0 世纪4 0 年代，美国就对产品的设计开始采用单因素环境模拟的研制试 验与鉴定试验，用来检验设计的质量和可靠性。2 0 世纪7 0 年代，则开始采用综合环境模拟 2 浙江工业大学硕士学位论文 可靠性试验、任务剖面试验和验收模拟试验。在此后的很长时间内这些试验方法成为保障 产品可靠性的主要手段。但由于环境模拟的复杂性、高成本以及试验结果的滞后性，使得 该类模拟试验技术丧失了一定的优势。 在国内，轴承强化试验相对于s l 口、i n 7 f a g 、t i m k e n 厂r o r 】妇g t o n 、n s k 、k o y o 等国 外轴承公司而言起步较晚、规模较小，对失效机理等基础理论研究不足，目前尚处于大量 积累试验数据的阶段。追溯到2 0 世纪早期，我国轴承行业一直沿用前苏联的z s 型轴承寿命 试验机和试验规范进行轴承寿命试验，该试验技术由于试验精度低、加载系统不稳定、没 有自动控制系统，其性能已明显落后子试验发展，远远不能满足大量试验工作的需要。另 外，从美国引进的f & m 5 ”新型滚动轴承疲劳寿命试验机除了价格昂贵外，还采用气动高 压动力源和6 0 h z 的电频率，与中国当时的国情不符。因此在2 0 世纪9 0 年代，在吸取国外先 进试验机的基础上，杭州轴承试验研究中心研制了新一代自动控制滚动轴承疲劳寿命强化 试验机b 1 0 6 0 r 及其改进的a b l t 系列滚动轴承疲劳寿命强化试验机，极大地推进了中国轴 承行业轴承寿命试验系统技术的进步。目前这一轴承寿命强化试验系统技术已被瓦房店轴 承集团有限公司检测试验中、宁波摩士轴承研究院、重庆长江轴承工业有限公司、中国石 化润滑油公司天津分公司、杭州诚信汽车轴承有限公司等用户广泛认可并应用。另外，美 国世界级国际大公司广泛地采用激发试验技术测试轴承寿命指标的情况，而我国轴承行业 对于轴承寿命激发试验的研究还远远滞后于国外轴承行业，亟需进一步发展激发试验。 轴承试验的发展是同轴承新产品的研发紧密相连的。在轴承产品开发阶段，轴承的试 验是对轴承结构的试验，检测试验产品能否满足其使用工况。产品定型后，轴承试验主要 是对轴承质量的考核，鉴别轴承产品质量等级，促进质量的提高，从而在轴承结构、材料、 制造工艺等某个薄弱环节找到存在的问题，并加以控制。因此，轴承试验是轴承发展过程 中一个不可缺少的重要的验证过程，可以把质量风险有效地控制在轴承企业内部。随着我 国轴承新产品的大量开发，对轴承的各种试验方法、试验装置、数学模型的建立、失效数 据和非失效数据的处理和变换、试验机的控制技术、各种试验信号等物理量的拾取精度和 反映速度、自动控制技术等等，都将提出越来越高的要求。根据特定的试验条件，设定转 速谱和载荷谱等以满足试验的要求。国内一些学者对轴承试验的载荷谱展开了研究。上海 交通大学的张雪萍等设计了城市用轿车轮毂轴承载荷谱的测试系统【3 】。华南理工大学的黎 桂华利用整车理论模型对轮毂轴承耐久性试验的载荷谱进行了研究【4 1 。 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 2 轴承强化试验的分类 轴承强化试验按试验目的和方法可以进行不同的分类，如表1 1 所示。 表1 1 轴承强化试验的分类 分类使用场合 试验 鉴定试验 当轴承结构、材科、工艺父殳阴试验( 米用元全或截尾试验) 定期试验大批量生产的轴承厂定期向用户提供的试验 目的 验证试验行业及第三方认证机构的试验 试验 完全试验一组轴承样品，在相同试验条件下全部试验至失效 截尾试验 一组轴承样品，在相同试验条件下部分试验至失效( 分为定时数、分组淘汰试验) 方法 序贯试验一绢轴承样品，在相同试验条件下，逐次对失效样品进行判定f 5 套失效1 1 3 国内外研究现状 1 3 1 轮毂轴承的发展 近年来，随着前置前驱动轿车的快速发展，轮毂轴承逐渐向单元化发展，尤其是国外 知名汽车生产厂家与轴承制造商的联合研发，使得轮毂轴承单元不断更新换代，目前已经 发展到第四代【5 1 。 ( 1 ) 第一代轮毂轴承单元 第一代轮毂轴承是外圈整体式内圈背对背组合的双列角接触球轴承或双列圆锥滚子轴 承，如图1 1 ( a ) 所示。这种结构的主要优点是可靠、有效载荷间距短、易安装、无需调整、 结构紧凑等。此外，预先设定初始轴承游隙，保证安装后预紧载荷在规定范围内，轮毂轴 承自带密封圈，省去了人工外部安装密封圈的步骤。这种轴承已经相当实用化，我国引进 车型大多采用此类轴承。 ( 2 ) 第二代轮毂轴承单元 与第一代相比，外圈带法兰盘的第二代轮毂轴承其特点是装配部件数较少，重量较轻， 安装方便，如图1 1 ( b ) 所示。第二代轮毂轴承外圈带有法兰盘，可以直接通过螺栓连接到 悬架上( 内圈旋转型) 或安装到刹车盘和钢圈上( 外圈旋转型) 。开发该单元的重点是了为保证 质量和尽可能缩短生产周期，最终达到流水线方式生产的目的。 ( 3 ) 第三代轮毂轴承单元 第三代轮毂轴承由连接到悬架上带法兰盘的外圈、连接到刹车盘和钢圈上带法兰盘的 内圈组成，如图l 1 ( c ) 所示。与第二代不同，第三代轮毂轴承集成了a b s 传感器，并普遍 采用摇辗技术自锁半内圈，摇辗过程中对带法兰盘的轮毂轴端施加轴向载荷使其变形来固 4 浙江工业大学硕士学位论文 定半内圈，简化了汽车车轮支承结构，将轴承的支承作用和轮毂法兰、螺栓的联结传动作 用高度集成为一体，进一步实现了轮毂轴承多功能的集成化、单元化和轻量化，并采用高 性能不可拆卸式密封结构，达到永久密封的效果。 ( 4 ) 第四代轮毂轴承单元 第四代轮毂轴承单元是把等速万向节、轮毂和与轴承做成一个结构紧凑、性能优良、 安装方便的整体部件，如图1 1 ( d ) 所示。这种形式最大的特点是废除了轮毂花键轴，减轻 了轮毂轴承的重量，缩小了体积，简化安装、拆卸方便，轴承及等速万向节在安装和使用 中相互之间的几何尺寸不会发生变化，简化了工序，代表了未来汽车传动系统零部件的发 展方向。 轮毂轴承单元是技术含量较高的产品，对设计与生产均有较高的要求，目前轮毂轴承 单元化技术属于汽车轴承类零件中的重要研究方向之一，因此，如何使轮毂轴承结构更合 理，工作更可靠，成本更低将成为今后研究的重点1 6 】。 i ) 球轴承i i ) 圆锥滚子轴承 a ) 第一代轮毂轴承 属赢 盘谣 ，” ，黪 。嬲翳现爱誓，l 峨秽。震 鳓： 凇 b ) 第二代轮毂轴承c ) 第三代轮毂轴承d ) 第四代轮毂轴承 图1 1 轮毂轴承的发展 浙江工业大学硕士学位论文 1 - 3 2 深冷处理研究现状 ( 1 ) 深冷处理的发展历史 深冷处理，又称为超低温处理，是指在1 3 0 以下对材料进行处理的方法。一般认为 深冷处理是常规冷处理工艺的延伸【7 】。深冷处理工艺不仅可以显著提高黑色金属、有色金 属、金属合金、碳化物、塑料、硅酸盐等材料的力学性能、使用寿命和尺寸稳定性，而且 具有操作简单、无污染和不破坏工件的特点，具有良好的应用前景1 1 。 低温处理的重要性早在一百多年前就被瑞士的钟表商们认识到了，当时他们利用阿尔 卑斯山上的寒冷的气候，将钟表的重要部件保存在山上一段时间后，部件的可靠性和耐磨 性得到了提高。在此之后，随着低温技术的发展，人们发现当材料的存贮温度进一步降低， 则其稳定性及使用寿命可以得到更大的提高。深冷处理技术虽然能够对材料的性能进行改 善，但是在早期由于当时设备和经济等问题的制约，工业生产厂商并没有对其引起广泛的 重视。直到1 9 6 5 年，美国研究者首次将深冷处理技术在工业生产中推广后，深冷技术才引 起了全世界的关注，但由于试验结果的巨大差异性及当时测试手段的限制，使深冷处理技 术的研究停滞不前【1 2 】。随后，前苏联、日本和欧美等国家也陆续对深冷进行了进一步的研 究，并取得了一定的成果。 在国外，早二十世纪初，前苏联古里就开始对深冷处理技术提高高速钢的组织特性进 行了研究，将淬火钢进行低温处理，使组织中的残余奥氏体数量减少，从而稳定零件尺寸、 提高零件硬度、耐磨性。在2 0 世纪5 0 年代，美国有一项航空项目要求高空侦察机在温度变 化剧烈的环境下，其材料仍要求保持其性能的稳定性，于是在研究深冷处理对金属性能作 用的试验过程中，将镁、铝等材料迅速冷却然后进行回火，使其减少显微结构的错位和缓 解其他晶体缺陷的排列状况，从而使得材料性能更加稳定。在7 0 年代初，日本大和久重雄 提出了3 点权威性看法：1 ) 深冷处理可使残余奥氏体转化为马氏体；2 ) 组织细化：3 ) 析 出细小弥散的碳化物【l3 | 。一些大型的制造企业，如休斯航空公司、通用动力公司、劳斯鲁 普公司、通用汽车公司、加勒特涡轮发动机公司、s t e e l c a s e 、m o t o r o l a 、c o n t i n e n t a lc o n 、 i t t 、c 锄o n 等开始将深冷处理技术应用到生产之中，另外m a t e r i a l si m p r o v e m e mi n c 、 m i c 蝎a 1 1c o 印o r a t i o n 、3 x j e m c sc o 、p h o e l l i x 、a z 等公司也开展了深冷处理方面的研究。 另外，在1 9 8 7 年，由研a y 发起成立了国际深冷处理研究会1 1 4 】。美国f b a 玎o n 教授对五种合 金钢进行了试验研究，结果表明，低温处理后的耐磨性变化显著，比未经深冷处理的材料 耐磨性提高2 o 6 6 倍。 在国内，有关深冷处理技术方面的研究兴起于二十世纪八十年代末，主要内容集中在 6 浙江工业大学硕士学位论文 工具钢和模具钢的深冷处理方面，陈绍甫和晋方伟研究表明深冷处理可使材料的性能有明 显提高，之后对于深冷处理的研究开始活跃起来15 1 。钱士强和李曼萍研究了深冷处理对 w 6 m 0 5 c r 4 v 2 钢刀具的影响【16 1 。李刚和李士燕研究了t 8 钢深冷处理后的马氏体形态和回 火特征【1 7 1 。李惠和张静武对l d l 钢深冷处理后的力学性能与残余奥氏体分布及亚结构进行 了分析【1 8 】。刘亚俊和李勇研究了深冷处理对奥氏体钢低温断裂过程中网格位错的作用【1 9 】。 ( 2 ) 深冷处理后金属性能的变化 现有的深冷处理文献资料显示，对深冷处理后金属性能的研究较多，并且研究表明深 冷处理能提高金属的硬度、冲击韧度、红硬性、工件的耐磨性和寿命。但由于深冷处理一 般是工件使用前附加的特殊热处理，因此，应该特别注意深冷处理前后金属性能的变化。 ( a ) 硬度 经过深冷处理后工件硬度有一定的增加，这主要是由于深冷处理会使一部分残余奥氏 体转变为针状马氏体，并且硬度增加的多少由深冷处理前的残余奥氏体的数量决定。但由 于马氏体与奥氏体的比容不同，若深冷处理前的残余奥氏体数量过多，会在随后的深冷处 理过程中有大量的残余奥氏体向马氏体转变，从而使工件有较大的尺寸变形，导致其稳定 性下降。王伊卿等人也指出，深冷处理前适量的残余奥氏体对控制模具的尺寸是有利的2 0 1 。 ( b ) 冲击韧度 很多的文献表明，深冷处理能提高金属的冲击韧度。在这一点上，国内外有着相同的 观点。但不同的深冷处理工艺对工件的冲击韧度有不同的提高【2 1 。2 2 1 。林晓娉等人认为采用 多次短时间的深冷处理能使高速钢的冲击韧性有较大的提高f 2 3 】。深冷处理不仅提高了硬 度，而且使得韧性略有提高，深冷处理使冲击断口上的韧窝变得更加明显。 ( c ) 红硬性 林晓娉等人提到深冷处理对红硬性的影响，和对冲击韧度的影响一样，认为高速钢采 用多次短时间的深冷处理会使金属的红硬性有较大的提高，这将使金属材料得到更大的使 用范围【2 3 】。这是因为在深冷后由低温向室温回升过程中发生的马氏体分解和超微细碳化物 析出引起了工件红硬性的提高。 ( d ) 耐磨性和工件寿命 目前，深冷处理应用最广泛、最成熟的就是在工模具钢、硬质合金刀具和高速钢刀具 上。虽然模具及刀具在深冷处理后的硬度上升不大，但从实验结果来看，耐磨性及寿命有 很大提升。李雄等人认为深冷处理改善了材料的摩擦学性能，材料由块状剥落变为鳞片状 剥落，从而其耐磨性得到提高1 2 l 】。 7 浙江工业大学硕士学位论文 ( 3 ) 深冷处理在高铬碳钢中的应用 轴承钢g c r l 5 经过常规热处理后，其显微组织由隐晶、细小结晶马氏体、均匀分布的 细小残留碳化物、少量残留奥氏体以及少量的屈氏体组成【2 4 1 。一般认为，马氏体占8 0 以 上，碳化物为5 1 0 ，残余奥氏体为9 1 5 。显微组织中的残余奥氏体为亚稳定相， 大量残余奥氏体的存在，在零件长期放置或者使用过程中转化为马氏体会引起零件变形， 导致尺寸稳定性降低，从而造成零件丧失精度甚至失效。 近年来，研究者对g c r l 5 轴承钢深冷处理的组织和性能进行的研究发现，深冷处理可 大大减少组织中的残余奥氏体，提高其硬度和耐磨性等机械性能【2 0 之1 1 。此外，深冷处理可 以有效地避免g c r l 5 钢磨削裂纹的产生【2 5 】。c pt a b r e t t 等认为，深冷处理可以促进残余奥 氏体的转变，将工件冷却到低于马氏体转变终止点m f 温度，可以得到少于5 的残余奥氏 体量f 2 6 】。李雄研究表明深冷处理可以提高6 w 5 m o 4 c r 2 v 高速钢材料的硬度及韧性【2 2 】【2 7 1 。 丛吉远研究指出，深冷处理能够提高高速钢的韧性及强度【2 8 】。何福善等将高铬铸铁在淬火 后进行深冷处理，结果表明，深冷处理对高铬铸铁硬度提高的贡献有限，但是能够提高高 、，。 。、 铬铸铁的韧性1 3 们。除此之外，随着计算机技术的发展，不少学者开展了深冷处理技术的模 拟仿真【3 0 - 3 2 1 。 f 1 3 3有限元技术在轴承结构优化中的应用 ，“一 一m ” 计算机辅助工程技术( c a e ) 起源于汽车工程领域的产品开发。目前，福特汽车公司( f o r d m o t o rc o m p a n y ) 和通用汽车公司( g e n e r a lm o t o rc o m p a n y ) 等国外知名汽车公司，与国内的 汽车公司如奇瑞汽车公司和吉利公司等都已经建立了相应的工程分析部门，采用数值计算 和模拟方法提高产品开发能力。美国于1 9 9 8 年成立了工程计算机模拟和仿真学会( c o m p u t e r m o d e l i n ga i l ds i m u l a t i o ni i le n g i n e e r i n g ) 。目前，c a e 技术己经广泛应用于不同领域的科学 研究，特别地，当c a e 通过与c a d 、c a m 等技术的结合后，更加普遍地应用于解决实际工 程问题中，在解决许多复杂的工程分析方面发挥了重要作用，使企业能对现代市场产品的 多样性、复杂性、可靠性、经济性等做出迅速反应，为企业增强了市场竞争能力。c a e 技 术的广泛应用足以证实其具有支撑产品发展关键领域的工程价值，并从根本上改变传统产 品开发与设计的模式。 目前，常用结构分析的研究方法主要有理论解析法、物理试验法和数值模拟法。理论 解析法的优点是求解直接，能给出力学量与参数间的函数全局关系，对揭示变形的力学本 质有重要意义，但是这种方法只能求解简单的或经过简化的问题，对于复杂的接触问题， 一 浙江工业大学硕士学位论文 求解难度大。当理论解析法不能完全解决问题时，物理试验法就是一种不可或缺的手段， 它可作为理论解析和数值模拟的对比或验证数据，但是对于包含复杂接触过程的研究，通 过试验难以达到要求，而且物理试验法耗资大、周期长和工作量大。数值模拟法可以克服 上述困难，近年来得到快速的发展【3 3 1 。 c a e 技术起源于1 9 6 0 年，r w c l o u 曲引入了“有限元”这一术语，并用这种方法首次求 解了弹性力学的二维平面应力问题。1 9 6 7 年，e v m a r c a l 和i p k i n g 首先提出了弹塑性有限 元法，开始在塑性加工领域应用。1 9 7 2 年，o c z i e n k i e 谢c z 提出粘塑性有限元法；1 9 7 3 年， c c l e e 和s k o b a y a s h i 提出了刚塑性有限元法，用l a f a n g e 法解除了体积不可压缩条件。随 着有限元模拟的一些关键技术趋于成熟和计算机硬件水平的提高，有限元模拟得到广泛的 应用【3 4 37 1 。 另外，国外已经成功开发出多种商业化有限元模拟软件如a n s y s 、m a r c 、a b a q u s 、 d 、i a f o r m 和d e f o r m 等，为模拟计算的普及提供了一个技术平台，从二十世纪年代， 我国一些研究者利用有限元技术对滚动轴承接触问题进行了研究。孙立明等人采用有限元 软件a n s y s 对桑塔纳轿车的轮毂轴承进行有限元分析，确定了合理的凸度形式及滚子与滚 道的最佳凸度匹配关系，给出了滚子、内圈滚道最佳凸度控制方程f 3 8 1 。李永庆等人采用有 限元分析软件a n s y s 对某汽车上的第三代轮毂轴承单元进行了结构强度分析，为产品设计 和开发提供了依据【3 9 1 。李爱民采用计算机数值模拟和经验解析解分析对比的方法，对汽车 后桥传动用b 7 5 1 7 e 圆锥滚子轴承进行了三维数值模拟，通过对锥轴承的特征参数、接触应 力和变形及负荷分布特性的综合分析，证实了圆锥滚子轴承的经典解析法在解释接触过程 时的局限性1 4 们。刘六井应用a n s y s 有限元法对关节轴承受力及变形状况进行了分析，研究 了关节轴承内外座圈接触表面压力分布规律、载荷与变形之间的关系以及偏心距对承载能 力的影响【4 。唐云冰应用a b a q u s 软件建立了陶瓷球轴承简化的曲面球接触模型，进行 了接触分析，得到其应力和位移分布规律1 4 2 1 。刘宁利用u g 软件与a n s y s 软件之间良好的 数据接口，将在u g 中建立的轧机滚动轴承模型导入到a n s y s 中，对其进行接触应力分析， 得出内圈与轴过盈配合时应力的分布规律和内圈与滚子之间接触应力的分布情况，并与传 统的理论分析所得结论进行比较，证明有限元应力分析的正确性【4 3 】。王露通过a b a q u s 有 限元软件和n s o r 疲劳分析软件分析了不同工况对轮毂轴承疲劳寿命的影响【4 4 1 。 在轴承设计技术方面，主要通过综合优化设计，以保证轴承寿命的提高。具体措施有： ( 1 ) 增大滚动体尺寸( 球直径、滚子有效直径和有效长度) ； ( 2 ) 增加滚动体数目； 9 浙江工业大学硕士学位论文 ( 3 ) 选取合适的滚动体与滚道接触参数； ( 4 ) 调整获取较大的y ( y m c d s 卿，式中q 为接触角，d w 为球直径，d o w 为球组 或滚子组的节圆直径) ； ( 5 ) 适当减少滚道油沟尺寸； ( 6 ) 在充分考虑剩余游隙( 安装因素影响) 、有效游隙( 温度因素影响) 和工作游隙( 载荷因 素影响) 的基础上选取合适的初始游隙。工作游隙应尽可能小，以使轴承的载荷区尽可能大。 研究结果表明，工作游隙略为负值时，轴承寿命最长。一般使用时，为保险起见，取接近 于零的正值游隙； ( 7 ) 紧配合的套圈，应取较大的壁厚； ( 8 ) 选取较小且最佳的保持架兜孔间隙及引导间隙，兜孔间隙应大于引导间隙； ( 9 ) 选用工程塑料保持架。工程塑料保持架具有质量轻、韧性高、有一定的弹性、吸 振、自润滑和磨粒软等优点，有利于轴承寿命的提高。尤其是高速运转时，比钢板冲击保 持架可提高轴承寿命约1 5 倍。 需要指出的是，在采取上述措施时，要注意避免“过犹不及”的负面效应。比如： ( 1 ) 在追求额定动载荷最大时，若滚动体增大增多，则会使得保持架过梁等部位变窄， 从而导致保持架强度不够而先于滚动体或套圈沟道破坏；滚动体增大还会使得套圈壁厚减 薄，套圈过薄时，会由于刚度不够而导致轴承在轴上或座孔内安装后变形，使轴承寿命降 低。 ( 2 ) 追求轴承游隙最小时，应考虑轴承内、外径加工偏差的离散性，特别是相配的轴、 座孔的加工方式的粗放性和加工偏差的离散性；还应考虑工作温度和载荷的极端情况，避 免游隙过小甚至为负值，从而导致轴承过热卡死。 另外一方面，我国的工业界在c a e 技术的应用方面与发达国家相比还存在相当大的差 距。国内大多数的工业企业对c a e 技术还处于初步的认同阶段，c a e 技术的工业化应用还 有相当的难度。造成这个结果的主要原因有，一方面我们缺少自主开发的具有自主知识产 权的计算机分析软件，另一方面大量缺乏掌握c a e 分析的技术人员，并且从行业和地区分 布方面来看，发展也明显失衡。对于计算机分析软件问题，目前虽然可以通过技术引进以 解燃眉之急，但是国外的这类分析软件的价格一般都相当昂贵，国内很多企业不可能购买 这类软件来使用。而人才的培养则需要一个长期的过程，这将是对我国c a e 技术的推广应 用产生严重影响的一个制约因素。 随着计算机技术向更高速和更小型化的发展和分析软件的不断开发和完善，c a e 技术 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 的应用将愈来愈广泛，成为衡量一个国家科学技术水平和工业现代化程度的重要标志，因 此，大力推进我国计算机辅助工程技术的科学研究和工业化应用刻不容缓。 1 4 课题来源及主要研究内容 本课题来源于浙江省科技厅重点攻关项目“汽车轮毂轴承深冷处理工艺与专业设备开 发”。 由于国内的轮毂轴承质量与国外相比存在很大的差距，鉴于轴承复杂的工作条件与加 工装配过程，因此疲劳寿命仍然衡量轴承质量的关键指标之一，并且轴承钢的热处理工艺 与轴承的结构设计是影响轴承疲劳寿命的重要因素。因此，本文通过深冷处理改善轮毂轴 承的热处理工艺，并根据疲劳寿命试验结果得到进行结构优化提高其承载能力，从而达到 延长轮毂轴承疲劳寿命的目标。 本论文主要研究内容如下： ( 1 ) 轮毂轴承的深冷处理 综合分析探讨深冷时间、深冷温度、深冷次序、深冷次数等深冷处理工艺对材料性能 的影响，并根据轮毂轴承大批量生产高效率、低成本的要求，在轮毂轴承内外圈热处理过 程中，进行不同工艺参数下的深冷处理，并通过硬度和冲击韧性试验对零件的机械性能进 行检测。 ( 2 ) 不同深冷处理工艺参数的疲劳寿命强化试验 在a b l t 1 a 型轴承疲劳寿命试验机上采用分组淘汰法对不同深冷处理工艺参数的轮 毂轴承进行疲劳寿命强化试验。 ( 3 ) d a c 4 0 7 4 0 4 8 4 0 型轮毂轴承的有限元分析 利用有限元软件建立了型号为d a c 4 0 7 4 0 4 8 4 0 的轮毂轴承装配体有限元模型，通过对 其静力学分析，得到了其应力集中部位及其最大m i s s e s 应力值。 ( 4