陳峰，劉軍，稻見(jiàn)宣行，橫內(nèi)敦

(1.恩斯克(中國(guó))研究開(kāi)發(fā)有限公司，江蘇 昆山 215332；2.日本精工株式會(huì)社，神奈川 藤澤 251-8501)

1 前言

汽車(chē)輪轂軸承單元(圖1)起著支承車(chē)體，保證車(chē)輪順暢旋轉(zhuǎn)的作用，故對(duì)軸承可靠性有較高的要求[1-3]。實(shí)際應(yīng)用中輪轂軸承的主要失效形式為異響，占總失效量的90%以上，而造成軸承異響的主要原因之一是水侵入到軸承內(nèi)部，導(dǎo)致軸承產(chǎn)生異常磨損、銹蝕或者早期疲勞剝落[4-5]。

圖1 輪轂軸承單元及應(yīng)用部位

針對(duì)水侵入軸承中引起的失效，以往主要的對(duì)策是強(qiáng)化密封圈，通過(guò)FEM解析優(yōu)化密封唇形狀或者增加密封唇的數(shù)量提高密封性能。例如，NSK開(kāi)發(fā)了如圖2所示的高密封性密封圈，其在現(xiàn)行三唇密封圈的基礎(chǔ)上增加了擋檐，并優(yōu)化了密封唇形狀。但隨著汽車(chē)在全球，特別是新興國(guó)家的普及，汽車(chē)的行駛環(huán)境變得越來(lái)越復(fù)雜，在未鋪裝道路上行駛的概率大大增加。在車(chē)輛長(zhǎng)期行駛在未鋪裝的泥濘道路上，或暴雨導(dǎo)致道路發(fā)生積水使水浸沒(méi)過(guò)軸承等極端惡劣的路況下，可能會(huì)有微量水分侵入到軸承內(nèi)部，導(dǎo)致軸承出現(xiàn)異響。因此，當(dāng)水侵入到軸承內(nèi)部時(shí)，如何確保軸承的耐久性顯得越來(lái)越重要。

圖2 輪轂軸承單元用高密封性密封圈

對(duì)于脂潤(rùn)滑軸承，水侵入導(dǎo)致軸承產(chǎn)生疲勞剝落的機(jī)理推論為：水分的侵入會(huì)減小滾動(dòng)體與套圈之間潤(rùn)滑油膜的厚度，導(dǎo)致滾動(dòng)體與套圈間金屬發(fā)生直接接觸而產(chǎn)生磨損；水分會(huì)使?jié)L道面非金屬夾雜物與基體間發(fā)生銹蝕，從而產(chǎn)生剝落；另外，水分分解產(chǎn)生的氫元素由表面滲入到金屬內(nèi)部，這將加速疲勞剝落的形成[5-6]。

但至今為止，上述推論的工業(yè)應(yīng)用尚不多見(jiàn)。文中通過(guò)控制該機(jī)理的影響因素，改變現(xiàn)有潤(rùn)滑脂性能，開(kāi)發(fā)出了耐水潤(rùn)滑脂，并已投入市場(chǎng)使用，結(jié)果表明，耐水潤(rùn)滑脂可達(dá)到延長(zhǎng)侵水軸承壽命的目的。

2 試驗(yàn)

2.1 EHL油膜厚度的測(cè)量

油膜厚度使用圖3所示的光干涉法油膜厚度測(cè)量裝置進(jìn)行測(cè)量。在旋轉(zhuǎn)的玻璃盤(pán)下表面涂抹試驗(yàn)用潤(rùn)滑脂，在純滾動(dòng)的情況下進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)鋼球正上方放置的CCD照相機(jī)拍攝鋼球(φ25.4 mm)與玻璃盤(pán)之間形成的干涉條紋，最后計(jì)算出油膜厚度。測(cè)量條件：環(huán)境溫度為室溫，滾動(dòng)速度為0.13 m/s，滑移率為0 ，載荷為39.2 N (pmax=0.5 GPa)。

圖3 EHL油膜厚度測(cè)量裝置

2.2 氧化膜的影響

為了防止水分侵入導(dǎo)致軸承滾道表面銹蝕及水產(chǎn)生的氫元素向基體內(nèi)部滲入，可在油脂內(nèi)加入促進(jìn)在金屬表面形成氧化膜的添加劑。試驗(yàn)采用圖4所示四球試驗(yàn)機(jī)，以驗(yàn)證不同添加劑所形成氧化膜的厚度及對(duì)疲勞壽命的影響。試驗(yàn)條件：潤(rùn)滑脂中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20 %，pmax=4.1 GPa,轉(zhuǎn)速為1 200 r/min。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 水對(duì)油膜厚度的影響

選取3種不同特性的潤(rùn)滑脂，采用圖3所示測(cè)量裝置，在2.1節(jié)所述測(cè)量條件下，測(cè)量潤(rùn)滑脂無(wú)水和水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)形成的油膜厚度。結(jié)果如圖5所示。

圖5 油膜厚度比與潤(rùn)滑脂中水分分散程度的關(guān)系

圖5示出了油膜厚度比與水分在潤(rùn)滑脂中分散程度的關(guān)系。油膜厚度比是指在相同試驗(yàn)條件下，同一潤(rùn)滑脂有水侵入時(shí)與無(wú)水時(shí)所形成油膜厚度之比。試驗(yàn)表明，A和B脂中水分呈較大顆粒的水珠狀，對(duì)油膜厚度沒(méi)有明顯的影響，而C脂中的水分則分散在油脂之中，對(duì)油膜厚度產(chǎn)生了較大影響。A和B脂具有將侵入其內(nèi)部的水分匯集成大顆粒水珠的特點(diǎn)，大顆粒水珠較易從潤(rùn)滑脂中分離出來(lái)，不易侵入到油膜內(nèi)部，故對(duì)油膜厚度影響較小。推測(cè)是由于A和B脂內(nèi)部含有親水成分，有將水分匯集成較大水珠的功能，但有待進(jìn)一步研究驗(yàn)證。

3.2 氧化膜對(duì)壽命的影響

向A脂內(nèi)分別加入添加劑D，E，F(xiàn)，試驗(yàn)結(jié)束后使用AES法測(cè)量所形成的氧化膜厚度，結(jié)果如圖6所示。添加劑F在接觸表面形成的氧化膜最厚，約為A脂單獨(dú)形成氧化膜厚度的4倍。使用四球試驗(yàn)機(jī)在2.2節(jié)所述試驗(yàn)條件下進(jìn)行了壽命驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明，較厚的氧化膜可有效延遲接觸表面疲勞剝落的發(fā)生，顯著提高軸承的使用壽命。圖7所示為A脂及其加入添加劑F后的接觸表面SEM照片，可以看出，加入添加劑F后在接觸表面形成了致密的氧化膜。

圖6 不同氧化膜厚度對(duì)軸承壽命的影響

圖7 接觸表面SEM照片

3.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

驗(yàn)證試驗(yàn)對(duì)象為6017型成品軸承，同一種軸承裝用不同的潤(rùn)滑脂進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)條件：轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，滾道面最大接觸應(yīng)力2.7 GPa，注水量約為4.3 mL/ h。試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，可以看出，在潤(rùn)滑脂中混入水的情況下，新開(kāi)發(fā)潤(rùn)滑脂(A脂+添加劑F)可使軸承的L50壽命延長(zhǎng)約3倍以上。

圖8 軸承壽命試驗(yàn)結(jié)果(Weibull圖)

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)水侵入情況下造成汽車(chē)輪轂軸承接觸表面剝落影響因素的試驗(yàn)分析，開(kāi)發(fā)了具有耐水性能的潤(rùn)滑脂。試驗(yàn)及實(shí)際應(yīng)用表明，在水侵入的情況下，新潤(rùn)滑脂具有促使水分凝聚成大顆粒水珠、促進(jìn)滾道面氧化膜形成的功能。通過(guò)維持油膜的厚度，避免滾道面銹蝕和氫元素的滲入，達(dá)到顯著延長(zhǎng)軸承壽命的效果。