汽車輪轂軸承失效模式與分析方法

1、汽車輪轂軸承失效模式與分析方法摘要:汽車輪轂軸承開發(fā)階段需要進(jìn)行多種性能試驗(yàn)，通過輪轂軸承失效的案例，分析軸承早期失效模式，找出其根本原因，驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)合理與否。針對這些失效模式，歸納梳理了輪轂軸承失效分析的系列方法，為深入研究輪轂軸承的失效機(jī)理，改善產(chǎn)品質(zhì)量提供參考。關(guān)鍵詞:輪轂軸承; 性能試驗(yàn); 失效模式; 分析方法Failure Mode and Analysis Method for Automobile Hub BearingsAbstract: The development stage of automobile hub bearings is required to condu

2、ct various performance tests.The initial failure mode for bearings is analyzed through failure case of hub bearings，and the root cause is found out to verify the rationality of product design Aiming at these failure modes，a series method for failure analysis of hub bearings is summarized，which provi

3、des a reference for in-depth study of failure mechanism for hub bearings and improvement of product qualityKey words: hub bearing; performance test; failure mode; analysis method;0 引言 轎車輪轂軸承是汽車底盤上的一個(gè)重要組件，其是否能夠平穩(wěn)可靠地運(yùn)轉(zhuǎn)直接關(guān)系到行車的安全。普通軸承失效模式識別和分析方法的研究已有相關(guān)學(xué)者做過大量的工作14。而輪轂軸承的失效分析起步較晚，近年來隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展而逐漸受到重視。文獻(xiàn)

4、5對輪轂軸承載荷譜和失效機(jī)理做了深入探索。文獻(xiàn)67分別就輪轂軸承的失效分析步驟及其對策與診斷方法進(jìn)行了研究。 由于輪轂軸承失效模式多種多樣，且相關(guān)研究工作存在一定的局限性，故在輪轂軸承開發(fā)階段就需要進(jìn)行各種性能試驗(yàn)，通過早期失效分析，找出其失效原因，為改善輪轂軸承的品質(zhì)提供參考。1 性能試驗(yàn)范圍 輪轂軸承開發(fā)驗(yàn)證的臺架試驗(yàn)包括: 一般耐久性試驗(yàn)、高速耐久性試驗(yàn)、疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)、密封試驗(yàn)、剛性試驗(yàn)、動摩擦試驗(yàn)及沖擊試驗(yàn)等。設(shè)計(jì)的樣品只有順利通過臺架試驗(yàn)，才能在主機(jī)廠所指定的路試場進(jìn)行道路試驗(yàn)。道路試驗(yàn)綜合了臺架試驗(yàn)的各種考評項(xiàng)目，能夠真實(shí)反映實(shí)際工況。不同的主機(jī)廠有各自的臺架試驗(yàn)和道路試驗(yàn)規(guī)范，并

5、明確了評判標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)試驗(yàn)樣品沒有達(dá)到試驗(yàn)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求時(shí)，認(rèn)為樣品發(fā)生了早期失效，該樣品便屬于失效分析的對象，需查找出失效的原因。2 失效模式根據(jù)國內(nèi)、外著名軸承廠商，如洛陽軸研科技，浙江萬向精工，SKF，F(xiàn)AG，NSK 及 NTN 等的統(tǒng)計(jì)，輪轂軸承早期失效模式有腐蝕、壓痕、燒傷、裂紋和剝落等多種，現(xiàn)大致歸納如圖 1 所示6。通過大量失效分析工作的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，同一種失效模式可能是由不同的單一原因引起的，也可能是由各種原因綜合作用的結(jié)果，因此，為分析輪轂軸承的失效機(jī)理，需要具備較全面的分析手段。3 失效分析過程 開發(fā)階段輪轂軸承的早期失效，即圖 1 所示的各種失效模式通常來源于 5 個(gè)方面:

6、 (1) 產(chǎn)品設(shè)計(jì)不合理; (2) 工藝過程未能保證設(shè)計(jì)要求; (3)試驗(yàn)設(shè)備不穩(wěn)定; (4) 軸承安裝不當(dāng); (5) 工作載荷過大，超出產(chǎn)品承受能力。針對這些方面，一般的分析過程如下。3.1原始信息收集 當(dāng)失效軸承被委托給分析室進(jìn)行分析時(shí)，非常重要的一環(huán)是分析者首先要收集失效件的原始信息。原始信息一般包括: 設(shè)計(jì)圖紙、工藝圖紙、車型參數(shù)、試驗(yàn)規(guī)范、試驗(yàn)設(shè)備、工裝信息、失效時(shí)試驗(yàn)員所做的軸承異常運(yùn)轉(zhuǎn)情況記錄及失效樣品原始檢測報(bào)告。其中失效樣品原始檢測報(bào)告應(yīng)包括輪轂軸承組件中各零件(外圈、內(nèi)圈、鋼球、密封圈、保持架和潤滑脂) 的材質(zhì)報(bào)告和相關(guān)尺寸檢測報(bào)告、裝配件的相關(guān)檢測結(jié)果等。由于失效件的原始

7、狀態(tài)已經(jīng)受到極大破壞，故原始信息的收集對分析者非常重要，可以說收集信息的完備性決定著分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。3.2 設(shè)計(jì)確認(rèn) 設(shè)計(jì)確認(rèn)的目的在于以現(xiàn)行輪轂軸承行業(yè)的水準(zhǔn)來評判軸承設(shè)計(jì)的合理性。為完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)確認(rèn)，分析者需要對輪轂軸承設(shè)計(jì)理論8有一定深度的了解，并能夠運(yùn)用一些輔助工具，如數(shù)學(xué)計(jì)算方法、小程序編譯，相關(guān)輔助軟件 MATALAB，ANSYS，ABAQUS 及 MSC FATIGUE 等; 根據(jù)所提供的設(shè)計(jì)圖紙和試驗(yàn)載荷譜信息9，對產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師所完成的設(shè)計(jì)進(jìn)行確認(rèn)。需要確認(rèn)的項(xiàng)目包括: 負(fù)游隙、靜強(qiáng)度、剛性、滾道疲勞壽命、滾道擋邊高、接觸應(yīng)力、疲勞強(qiáng)度和密封結(jié)構(gòu)等。由于目前廣泛應(yīng)用的第1

8、代、第2代和第3代輪轂軸承結(jié)構(gòu)大不相同，故在設(shè)計(jì)確認(rèn)上也會存在一定的差異。第1代、第2代和第3代輪轂軸承的裝車差異如圖2所示。相比于第 1代，集成程度較高的第2代和第3代軸承存在與凸緣心軸及轉(zhuǎn)向節(jié)的配合，由于其通過鎖緊螺母進(jìn)行預(yù)緊，因此會影響到最終的裝車游隙。游隙的設(shè)計(jì)應(yīng)以最終裝車狀態(tài)的游隙作為目標(biāo)，通常裝車狀態(tài)的理想游隙為 -0.03 -0.06 mm。以帶凸緣的第2代或第3代輪轂軸承為例，有些確認(rèn)項(xiàng)是相互矛盾的。在客戶要求輪轂軸承質(zhì)量控制在某一特定量的前提下，需要在滾道疲勞壽命與所需強(qiáng)度間進(jìn)行有效的平衡。通過增大鋼球尺寸提高額定動載荷來強(qiáng)化滾道疲勞壽命就會降低軸承的強(qiáng)度，此時(shí)，應(yīng)把軸承強(qiáng)度

9、放在首位考慮，其屬于關(guān)乎安全性的重要項(xiàng)目。3.3 工藝過程確認(rèn)在確定產(chǎn)品無設(shè)計(jì)缺陷后，需要以設(shè)計(jì)圖紙和企業(yè)規(guī)范作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行工藝過程確認(rèn)，以明確設(shè)計(jì)是否得到保證。對于軸承制造商而言，輪轂軸承套圈材料、密封圈和保持架一般為外購件，套圈較關(guān)鍵的終加工工藝則由軸承制造商完成。工藝過程確認(rèn)主要以相關(guān)檢測報(bào)告為基礎(chǔ)，根據(jù)檢測報(bào)告逐一核實(shí)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。需要核實(shí)的項(xiàng)目主要有:( 1) 原材料信息。所提供的鋼材一般為熱軋狀態(tài)，需要對材料的元素成分、氧含量、非金屬夾雜物、晶粒度及力學(xué)性能做出核實(shí)。(2) 熱處理信息。原材料在加工過程中進(jìn)行的相關(guān)熱處理，如正火和淬火，需要核實(shí)其基體和滾道的組織、硬度( 梯度

10、) 及鍛造流線是否滿足要求。(3) 成品零件尺寸。包括滾道溝曲率半徑、溝徑、溝間距、圓度、輪廓度、表面粗糙度、密封口徑及其圓度、密封圈各唇口配合直徑、唇口結(jié)構(gòu)尺寸、滾道擋邊高度和重要外輪廓尺寸等的核實(shí)。(4) 外購件特性。查看外購件的檢測報(bào)告，確認(rèn)其是否滿足使用要求。如密封圈的材質(zhì)、拉伸特性、硬度，潤滑脂的九大性能指標(biāo)黏度、高低溫性能、極壓性與抗磨性、抗水性、防腐性、膠體安定性、氧化安定性和機(jī)械安定性10。(5) 裝配件檢測結(jié)果。裝配件的游隙和凸緣跳動均會對軸承滾道壽命產(chǎn)生較大影響; 裝配件壓裝密封圈的平行差會影響到產(chǎn)品的密封性能，故均需要核實(shí)其是否滿足設(shè)計(jì)要求。在設(shè)計(jì)得到確認(rèn)、失效樣品原始狀

11、態(tài)的工藝信息核實(shí)無誤及試驗(yàn)過程狀態(tài)明確的前提下，基本能夠推斷出輪轂軸承是否具備通過各項(xiàng)性能試驗(yàn)的能力。3.4 分析流程 分析者接到失效件后，需要對失效件做相應(yīng)的處理，從失效件的失效模式和損傷痕跡，并結(jié)合設(shè)計(jì)及工藝過程明確失效的原因。失效件在試驗(yàn)前的原始狀態(tài)通過收集的數(shù)據(jù)得到分析后，對試驗(yàn)失效件也要進(jìn)行一些輔助檢測，旨在對比試驗(yàn)前、后及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)之間的差異程度。如果有差異，還需確定差異是否在可接受范圍; 如果某項(xiàng)指標(biāo)不在經(jīng)驗(yàn)值范圍內(nèi)，則應(yīng)作為失效的關(guān)注點(diǎn)有所側(cè)重11。失效軸承檢查分析流程和所用儀器見表1。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相關(guān)檢測。針對某型號輪轂軸承進(jìn)行的失效分析項(xiàng)目，即表1中的

12、實(shí)施項(xiàng)目并非全部為必須的，而是需要根據(jù)逐步的觀察、分析確定。有些失效原因能夠較早、較容易被發(fā)現(xiàn)，而有些則較復(fù)雜，隱藏較深，基本要經(jīng)歷整個(gè)過程才能夠發(fā)現(xiàn)。4 分析案例 以M型輪轂軸承為例，安裝于路試車輛上進(jìn)行道路試驗(yàn)。車輛行駛 64 000 km(要求100 000km) 后左前輪出現(xiàn)異常聲。經(jīng)拆套發(fā)現(xiàn): 外圈滾道外側(cè)剝落，潤滑脂變成棕黃色。按照上述流程逐步檢測排查，最終確定為軸承密封失效。軸承密封失效分析的主要信息如下。4.1 潤滑脂含水率按照卡爾費(fèi)休法對提取的潤滑脂含水率進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)其含水率嚴(yán)重超標(biāo)，檢測結(jié)果見表2。4.2 溝道剝落通過觀察軸承溝道情況(圖3) 發(fā)現(xiàn)，的確是軸承密封發(fā)生了失

13、效，導(dǎo)致泥水侵入軸承中，引起軸承潤滑不良，最終導(dǎo)致溝道產(chǎn)生早期剝落。4.3 密封圈磨損在體視鏡下對密封圈進(jìn)行放大觀察，發(fā)現(xiàn)外密封圈存在明顯的偏磨損情況(圖4a和圖 4b) 。對密封圈制樣后在工具顯微鏡下檢測其尺寸，也發(fā)現(xiàn)外密封圈存在偏磨損，圖4c和圖4d為密封圈上2個(gè)不同位置的磨損情況。通過查看同批裝車的外密封圈尺寸檢測報(bào)告可知，密封圈尺寸精度較好，符合要求。通過了解外密封圈的壓裝過程，經(jīng)分析最終判定為外密封圈存在壓裝歪斜，導(dǎo)致平行差不好，使泥水經(jīng)由密封圈縫隙侵入到軸承中，導(dǎo)致軸承提前失效。為此，建議針對存在的超差問題改進(jìn)密封圈壓裝裝置，并且產(chǎn)品由抽檢改為全檢，確保外密封圈壓裝平行差符合要求。

14、5 結(jié)束語對輪轂軸承開發(fā)階段涉及的各種性能試驗(yàn)及失效模式進(jìn)行了歸納梳理，詳細(xì)介紹了輪轂軸承失效分析的步驟與方法，并以某一密封失效的分析案例進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，該分析方法可為相關(guān)人員開展軸承失效模式的機(jī)理研究提供參考。參考文獻(xiàn)(References)1 常晏銘，吳張永 淺析振動分析技術(shù)在滾動軸承故障診斷中的應(yīng)用J維修與改 造，2007( 4) : 56 602 趙傳國 滾動軸承失效分析概論J 軸承，1996(1) : 39 453 陸驥 滾動軸承的失效分析D 上海: 復(fù)旦大學(xué)，20064 張廣 滾動軸承燒損的模式分析J 內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2007( 15) : 78 795 張雪萍 轎車輪轂軸承失效機(jī)理的理論與實(shí)驗(yàn)研究D 上海: 上海交通大學(xué)，20026 楊林 汽車輪轂軸承早期失效分析及試驗(yàn)研究D 廣州: 華南理工大學(xué)，20127 董建鵬 乘用車前輪轂軸承失效分析D 廣州: 華南理工大學(xué)，20128 Harris T A，Kotzalas M