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1、汽车轮毂轴承失效模式与分析措施摘要:汽车轮毂轴承开发阶段需要进行多种性能实验,通过轮毂轴承失效的案例,分析轴承初期失效模式,找出其主线因素，验证产品设计合理与否。针对这些失效模式,归纳梳理了轮毂轴承失效分析的系列措施,为进一步研究轮毂轴承的失效机理,改善产品质量提供参照。核心词:轮毂轴承; 性能实验; 失效模式; 分析措施Failure Moda Analysis Mtod fo Autmbi HbearinAstact:Te delopet stge atomobie bbeains rqirdto onduct variuserormnce tes.The intialfaiue mode
2、 frarisinalyzed thr aure caso hbeng，nd th r cse iundout toveriy e raionality o pdutdegn imi theeflue modes，a series th foriurenalysiso hb arig s sumized,whic povies a refeence or in-dthstd ilu mecnismfr b beangs ad iprovemet of odut ulity.wod: hub ein；errmacetet； ailure；alsis md；0 引言 轿车轮毂轴承是汽车底盘上的一种
3、重要组件，其与否可以平稳可靠地运转直接关系到行车的安全。一般轴承失效模式辨认和分析措施的研究已有有关学者做过大量的工作4。而轮毂轴承的失效分析起步较晚，近年来随着汽车工业的迅猛发展而逐渐受到注重。文献5对轮毂轴承载荷谱和失效机理做了进一步摸索。文献-7分别就轮毂轴承的失效分析环节及其对策与诊断措施进行了研究。 由于轮毂轴承失效模式多种多样，且有关研究工作存在一定的局限性，故在轮毂轴承开发阶段就需要进行多种性能实验，通过初期失效分析,找出其失效因素,为改善轮毂轴承的品质提供参照。1 性能实验范畴 轮毂轴承开发验证的台架实验涉及: 一般耐久性实验、高速耐久性实验、疲劳强度实验、密封实验、刚性实验、
4、动摩擦实验及冲击实验等。设计的样品只有顺利通过台架实验,才干在主机厂所指定的路试场进行道路实验。道路实验综合了台架实验的多种考核项目，可以真实反映实际工况。不同的主机厂有各自的台架实验和道路实验规范，并明确了评判原则。当实验样品没有达到实验规范或原则的有关规定期,觉得样品发生了初期失效,该样品便属于失效分析的对象，需查找出失效的因素。2失效模式根据国内、外出名轴承厂商,如洛阳轴研科技，浙江万向精工,KF,AG,NSK 及 N 等的记录,轮毂轴承初期失效模式有腐蚀、压痕、烧伤、裂纹和剥落等多种，现大体归纳如图 1 所示6。通过大量失效分析工作的记录发现，同一种失效模式也许是由不同的单一因素引起的
5、,也也许是由多种因素综合伙用的成果,因此，为分析轮毂轴承的失效机理,需要具有较全面的分析手段。3 失效分析过程 开发阶段轮毂轴承的初期失效,即图1所示的多种失效模式一般来源于 5 个方面: （1) 产品设计不合理; （) 工艺过程未能保证设计规定; (3)实验设备不稳定; （4) 轴承安装不当；（) 工作载荷过大,超过产品承受能力。针对这些方面,一般的分析过程如下。3.原始信息收集 当失效轴承被委托给分析室进行分析时,非常重要的一环是分析者一方面要收集失效件的原始信息。原始信息一般涉及: 设计图纸、工艺图纸、车型参数、实验规范、实验设备、工装信息、失效时实验员所做的轴承异常运转状况记录及失效样
6、品原始检测报告。其中失效样品原始检测报告应涉及轮毂轴承组件中各零件(外圈、内圈、钢球、密封圈、保持架和润滑脂)的材质报告和有关尺寸检测报告、装配件的有关检测成果等。由于失效件的原始状态已经受到极大破坏，故原始信息的收集对分析者非常重要,可以说收集信息的完备性决定着分析成果的精确性。3. 设计确认 设计确认的目的在于以现行轮毂轴承行业的水准来评判轴承设计的合理性。为完毕产品的设计确认，分析者需要对轮毂轴承设计理论8有一定深度的理解,并可以运用某些辅助工具，如数学计算措施、小程序编译，有关辅助软件 MAL，ASS，ABAQUS 及 MSC FAIUE 等； 根据所提供的设计图纸和实验载荷谱信息,对
7、产品设计工程师所完毕的设计进行确认。需要确认的项目涉及: 负游隙、静强度、刚性、滚道疲劳寿命、滚道挡边高、接触应力、疲劳强度和密封构造等。由于目前广泛应用的第1代、第2代和第代轮毂轴承构造大不相似,故在设计确认上也会存在一定的差别。第代、第代和第代轮毂轴承的装车差别如图所示。相比于第1代，集成限度较高的第代和第代轴承存在与凸缘心轴及转向节的配合,由于其通过锁紧螺母进行预紧,因此会影响到最后的装车游隙。游隙的设计应以最后装车状态的游隙作为目的，一般装车状态的抱负游隙为 -0.3-.06 m。以带凸缘的第2代或第代轮毂轴承为例，有些确认项是互相矛盾的。在客户规定轮毂轴承质量控制在某一特定量的前提下
8、,需要在滚道疲劳寿命与所需强度间进行有效的平衡。通过增大钢球尺寸提高额定动载荷来强化滚道疲劳寿命就会减少轴承的强度,此时,应把轴承强度放在首位考虑,其属于关乎安全性的重要项目。33工艺过程确认在拟定产品无设计缺陷后,需要以设计图纸和公司规范作为评价原则进行工艺过程确认,以明确设计与否得到保证。对于轴承制造商而言,轮毂轴承套圈材料、密封圈和保持架一般为外购件,套圈较核心的终加工工艺则由轴承制造商完毕。工艺过程确认重要以有关检测报告为基本,根据检测报告逐个核算与否达到设计规定。需要核算的项目重要有:( 1)原材料信息。所提供的钢材一般为热轧状态，需要对材料的元素成分、氧含量、非金属夹杂物、晶粒度及
9、力学性能做出核算。(2）热解决信息。原材料在加工过程中进行的有关热解决，如正火和淬火,需要核算其基体和滚道的组织、硬度（ 梯度) 及锻造流线与否满足规定。(3）成品零件尺寸。涉及滚道沟曲率半径、沟径、沟间距、圆度、轮廓度、表面粗糙度、密封口径及其圆度、密封圈各唇口配合直径、唇口构造尺寸、滚道挡边高度和重要外轮廓尺寸等的核算。（)外购件特性。查看外购件的检测报告,确认其与否满足使用规定。如密封圈的材质、拉伸特性、硬度,润滑脂的九大性能指标黏度、高下温性能、极压性与抗磨性、抗水性、防腐性、胶体安定性、氧化安定性和机械安定性10。(5） 装配件检测成果。装配件的游隙和凸缘跳动均会对轴承滚道寿命产生较
10、大影响; 装配件压装密封圈的平行差会影响到产品的密封性能,故均需要核算其与否满足设计规定。在设计得到确认、失效样品原始状态的工艺信息核算无误及实验过程状态明确的前提下，基本可以推断出轮毂轴承与否具有通过各项性能实验的能力。 分析流程 分析者接到失效件后，需要对失效件做相应的解决,从失效件的失效模式和损伤痕迹，并结合设计及工艺过程明确失效的因素。失效件在实验前的原始状态通过收集的数据得到分析后,对实验失效件也要进行某些辅助检测,旨在对比实验前、后及设计原则之间的差别限度。如果有差别，还需拟定差别与否在可接受范畴;如果某项指标不在经验值范畴内，则应作为失效的关注点有所侧重1。失效轴承检查分析流程和
11、所用仪器见表1。根据国标、行业原则或公司原则进行有关检测。针对某型号轮毂轴承进行的失效分析项目,即表1中的实行项目并非所有为必须的,而是需要根据逐渐的观测、分析拟定。有些失效因素可以较早、较容易被发现，而有些则较复杂,隐藏较深,基本要经历整个过程才可以发现。4 分析案例 以型轮毂轴承为例，安装于路试车辆上进行道路实验。车辆行驶64 000m(规定00 00)后左前轮浮现异常声。经拆套发现: 外圈滚道外侧剥落,润滑脂变成棕黄色。按照上述流程逐渐检测排查,最后拟定为轴承密封失效。轴承密封失效分析的重要信息如下。4.1 润滑脂含水率按照卡尔费休法对提取的润滑脂含水率进行检测,发现其含水率严重超标，检
12、测成果见表2。4.2沟道剥落通过观测轴承沟道状况(图3)发现，的确是轴承密封发生了失效,导致泥水侵入轴承中,引起轴承润滑不良,最后导致沟道产生初期剥落。4.3密封圈磨损在体视镜下对密封圈进行放大观测,发现外密封圈存在明显的偏磨损状况(图4a和图 ) 。对密封圈制样后在工具显微镜下检测其尺寸，也发现外密封圈存在偏磨损，图4和图4为密封圈上2个不同位置的磨损状况。通过查看同批装车的外密封圈尺寸检测报告可知,密封圈尺寸精度较好,符合规定。通过理解外密封圈的压装过程,经分析最后鉴定为外密封圈存在压装歪斜,导致平行差不好,使泥水经由密封圈缝隙侵入到轴承中，导致轴承提前失效。为此,建议针对存在的超差问题改
13、善密封圈压装装置，并且产品由抽检改为全检,保证外密封圈压装平行差符合规定。5结束语对轮毂轴承开发阶段波及的多种性能实验及失效模式进行了归纳梳理,具体简介了轮毂轴承失效分析的环节与措施,并以某一密封失效的分析案例进行了验证。成果表白,该分析措施可为有关人员开展轴承失效模式的机理研究提供参照。参照文献(Refernces）1 常晏铭,吴张永. 浅析振动分析技术在滚动轴承故障诊断中的应用维修与改 造,( 4) : -62 赵传国. 滚动轴承失效分析概论 轴承,99（1) :9-45. 陆骥 滚动轴承的失效分析D上海: 复旦大学,. 张广 滚动轴承烧损的模式分析J.内蒙古科技与经济,(5):8 -79
14、.5张雪萍 轿车轮毂轴承失效机理的理论与实验研究D 上海: 上海交通大学,.6 杨林. 汽车轮毂轴承初期失效分析及实验研究D 广州: 华南理工大学,. 董建鹏 乘用车前轮毂轴承失效分析D广州: 华南理工大学，.8 rrisT A,otzas M N 滚动轴承分析M.罗继伟,马伟,杨咸启，等,译.北京:机械工业出版社， 黄德杰. 轿车轮毂轴承耐久性计算与实验系统开发D.杭州： 浙江工业大学,10Sclbh ormlating rase tMiizeFret-tin CrrosinNGI Spokesman，96,40 ( 4):31 15.11 GB/T 623,化工产品中水分含量的测定卡尔费休法( 通用措施)S.
