張高峰,黃德杰,靳 陽,高 柯,李 凱,王建華

(浙江萬向精工有限公司,浙江 杭州 311215)

0 引 言

輪轂軸承是汽車底盤的關(guān)鍵零部件之一。在車輛行駛過程中,若車輪受到外界較大沖擊,輪轂軸承的滾道表面會產(chǎn)生凹痕,使軸承在運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生行駛異響,并引起早期失效[1,2]。經(jīng)調(diào)查,輪轂軸承沖擊失效所占三包售后件的比例較高[3]。因此,輪轂軸承的沖擊失效現(xiàn)象應(yīng)引起有關(guān)人士的重視,并加以改善。

目前,國內(nèi)外對于用臺架試驗研究沖擊引起輪轂軸承性能衰退的研究較少。其中,HOU P P等[4]用頻譜峰度(SK)分析和包絡(luò)頻譜分析的方法,研究了沖擊強度對軸承滾道局部缺陷的影響。LIU J等[5]提出了具有不同邊緣形狀的局部缺陷對軸承運轉(zhuǎn)時振動加速度變化(TVIF)的模型,認(rèn)為滾動軸承滾道上局部缺陷的邊緣形狀對于軸承運轉(zhuǎn)中振動加速度頻譜的峰值頻率影響很小。還有CUI L L[6]、AI X L[7]等對滾動軸承缺陷故障的振動響應(yīng)信號進行了定量分析,并得到了振動響應(yīng)與故障尺寸之間的關(guān)系。GUILLERMO E M E等[8]通過建立滾動軸承壽命模型,研究了凹痕尺寸、載荷和潤滑狀態(tài)對軸承性能的影響,發(fā)現(xiàn)潤滑狀態(tài)對壓痕損傷軸承的壽命影響較大。

雖然以上均是針對沖擊引起輪轂軸承性能衰退的研究,但是目前關(guān)于軸承滾道表面壓痕缺陷對于振動響應(yīng)、頻率以外的性能影響還沒有完整、深入的研究。

本文從試驗角度出發(fā),研究輪轂軸承在不同沖擊載荷條件下對產(chǎn)品滾道的損傷程度,進一步研究不同的損傷程度對產(chǎn)品性能的影響,包括振動噪音、力矩剛性、耐久壽命性能,為研究開發(fā)抗沖擊型輪轂軸承提供參考。

1 沖擊路況對輪轂軸承特性的影響

筆者以軸承單元為研究對象,其軸承結(jié)構(gòu)及與周邊轉(zhuǎn)向節(jié)、驅(qū)動軸、剎車盤、輪輞、輪胎匹配關(guān)系,如圖1所示。

圖1 驅(qū)動輪輪轂軸承安裝狀態(tài)

車輪在路面行駛時,沖擊模式表現(xiàn)為兩種:側(cè)向沖擊和正向沖擊。其中,側(cè)向沖擊載荷的力臂為車輪半徑,而正向沖擊載荷的力臂為車輪偏距,因車輪半徑遠大于車路偏距,側(cè)向沖擊引起的彎矩值遠大于正向沖擊,輪轂軸承的沖擊損傷主要來源于側(cè)向沖擊。當(dāng)車輪承受到劇烈的側(cè)向沖擊時,沖擊力傳遞至輪轂軸承,滾道表面發(fā)生塑性變形,進一步導(dǎo)致輪轂軸承在運轉(zhuǎn)振動水平、力矩剛性水平、接觸疲勞耐久性能上發(fā)生較大的變化。

基于以上分析可知,沖擊載荷對輪轂軸承性能影響的傳遞路徑如圖2所示。

圖2 沖擊損傷發(fā)展路徑

2 沖擊試驗設(shè)計

基于沖擊對于輪轂軸承總成性能的影響分析,筆者通過設(shè)計相關(guān)試驗來研究沖擊載荷對輪軸承性能影響規(guī)律,從而評估沖擊損傷對產(chǎn)品性能的影響程度。

筆者選取同批次試驗軸承,保持所有被試驗樣品在材質(zhì)、熱處理、加工尺寸、裝配預(yù)緊上均具有較好的一致性;為降低隨機誤差,每個等級沖擊載荷試驗2套樣品,在數(shù)據(jù)處理時,取平均值進行分析。

試驗研究規(guī)劃表如表1所示。

表1 試驗研究規(guī)劃表

參考GM汽車布氏壓痕試驗方法與萬向集團企業(yè)試驗規(guī)范[9,10],筆者以2 kN/s的加載速率在車輪半徑處加載,然后在1 s內(nèi)釋放全部載荷。

試驗原理圖如圖3所示。

圖3 布氏壓痕試驗原理圖

3 沖擊試驗結(jié)果與分析

3.1 不同沖擊下的滾道應(yīng)力水平

在沖擊試驗中,若假設(shè)滾道的接觸狀態(tài)仍滿足Hertz接觸理論,則此處對不同沖擊載荷條件下的滾道接觸應(yīng)力進行計算分析[11-13],獲得的接觸應(yīng)力計算結(jié)果如表2所示。

表2 不同載荷條件下的接觸應(yīng)力計算結(jié)果

從理論計算結(jié)果可以看出,車輪在1.0 g側(cè)向加速度載荷以上,滾道接觸應(yīng)力已超過4 200 MPa,達到了滾道材料塑性變形階段,會引起滾道表面壓痕缺陷損傷。隨著彎矩水平的增加,滾道接觸應(yīng)力也逐漸增加,在相同側(cè)向載荷條件下,軸承外側(cè)滾道的應(yīng)力比內(nèi)側(cè)滾道應(yīng)力更高。

3.2 壓痕深度分析

筆者對完成壓痕試驗后的樣品進行拆解、清洗,然后利用圓度儀對各個拆解零件的滾道進行逐行掃描,從而獲得滾道壓痕深度結(jié)果。筆者提取滾道2處位置的壓痕數(shù)據(jù),第一處是滾道最大壓痕深度同時記錄發(fā)生位置,第二處是理論接觸角部位的壓痕深度。

壓痕深度結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表3 不同載荷條件下的壓痕深度結(jié)果

注:發(fā)生位置為離滾道擋邊的軸向距離,以上壓痕值單位為μm,發(fā)生位置單位為mm

滾道壓痕與接觸應(yīng)力關(guān)系圖如圖4所示。

圖4 滾道壓痕與接觸應(yīng)力關(guān)系圖

接觸應(yīng)力與壓痕擬合關(guān)系式如表4所示。

表4 接觸應(yīng)力與壓痕擬合關(guān)系式

根據(jù)表3的測量結(jié)果可知:

(1)隨著載荷的增加,滾道壓痕深度逐漸增加。接觸角位置壓痕深度小于最大壓痕值,隨著軸向載荷的增加,軸承鋼球與滾道的實際接觸角度會逐漸偏離原始設(shè)計接觸角;

(2)在相同載荷下,外圈內(nèi)、外側(cè)滾道接觸角處壓痕深度要遠高于內(nèi)圈、法蘭滾道壓痕深度。因此,在占主導(dǎo)的直線行駛使用工況下,側(cè)向沖擊載荷對于外圈滾道損傷更加明顯;

(3)根據(jù)理論計算與試驗結(jié)果可獲得接觸應(yīng)力與滾道壓痕深度的擬合函數(shù)關(guān)系式,如圖4、表4所示;

(4)在相同載荷條件下,外圈外側(cè)滾道壓痕深度較外圈內(nèi)側(cè)更深,該結(jié)果與表2中的接觸應(yīng)力計算結(jié)果是吻合的。原始接觸角位置距離滾道擋邊的垂直距離是3.0 mm,從表3數(shù)據(jù)分析可知:外側(cè)滾道,如外圈外側(cè)與法蘭盤滾道最大壓痕偏近于滾道擋邊區(qū)域而遠離理論接觸角,在載荷大于1.4 g條件下,法蘭上的壓痕已經(jīng)蔓延至滾道擋邊位置,在該處發(fā)生急劇應(yīng)力突變;內(nèi)側(cè)滾道,如外圈內(nèi)側(cè)與內(nèi)圈滾道最大壓痕仍保持在接觸角附近區(qū)域。這種特征解釋了外側(cè)滾道的損傷高于內(nèi)側(cè)滾道的原因;

(5)內(nèi)圈零件較外圈與法蘭零件壓痕深度更淺,是由于內(nèi)圈零件采用軸承鋼材料整體淬回火工藝,外圈和法蘭零件采用碳素鋼表面感應(yīng)淬回火工藝,因此,內(nèi)圈零件不僅基體硬度高于外圈與法蘭零件,而且滾道區(qū)域的硬度也高于外圈與法蘭零件。從擬合函數(shù)看,外圈與法蘭盤零件壓痕與接觸應(yīng)力的擬合關(guān)系為冪函數(shù),而內(nèi)圈壓痕與接觸應(yīng)力的擬合關(guān)系為線性函數(shù),該特征與所選用材質(zhì)、熱處理是密切相關(guān)的。

3.3 壓痕形貌特征分析

隨著載荷的增加,鋼球與滾道的接觸應(yīng)力逐漸增大,滾道表面塑性變形加劇,滾道表面塑性變形壓痕數(shù)量與深度也隨之變化。

筆者提取了兩個外圈外側(cè)滾道分別在1.3 g與1.5 g下的壓痕特征圖,如圖5所示。

圖5 外圈外側(cè)壓痕特征圖(左側(cè)1.3 g,右側(cè)1.5 g)

通過統(tǒng)計分析壓痕數(shù)量深度可發(fā)現(xiàn)壓痕的特征,如表5所示。

表5 不同滾道壓痕數(shù)量分布/個

根據(jù)壓痕分布的特征進行分析可知:

(1)在相同載荷條件下,同一列鋼球分別與外圈、內(nèi)圈兩個滾道接觸所引起的壓痕數(shù)量相同,不同列之間的壓痕數(shù)量存在差異;同時,發(fā)現(xiàn)按照之前的規(guī)律,載荷越大,最大壓痕深度越深,但是壓痕的個數(shù)不呈現(xiàn)出隨載荷增加而增多的特征;

(2)通過對相同載荷下兩個樣品的滾道壓痕數(shù)量分析發(fā)現(xiàn),即使載荷相同,所形成的壓痕數(shù)量以及對應(yīng)的每個壓痕的深度仍呈現(xiàn)出差異,該現(xiàn)象的產(chǎn)生主要是因為內(nèi)部軸承鋼球分布與軸向力加載方向存在一定的相位差異。

試驗中鋼球方位特征如圖6所示。

圖6 試驗中鋼球方位特征

因鋼球在軸承內(nèi)部呈現(xiàn)隨機分布,導(dǎo)致鋼球B1與軸向加載力存在一定的相位角α。鋼球與軸向力的相位角α在0°～(360/鋼球數(shù))°之間隨機分布,從而產(chǎn)生了鋼球不同的載荷分布,不同的壓痕特征,也可以解釋壓痕數(shù)量不隨載荷增加而增多的原因。

4 軸承沖擊對軸承性能影響

根據(jù)第1節(jié)沖擊路況對輪轂軸承特性影響分析可知,沖擊試驗后輪轂軸承滾道表面會產(chǎn)生損傷,影響軸承總成的振動特性、力矩剛性水平、耐久性壽命。因此,筆者通過開展多組對比試驗,來分析沖擊對振動噪音、剛性、耐久壽命的影響規(guī)律。

4.1 沖擊對振動噪音影響

針對兩組試驗樣品,在沖擊試驗前后,筆者根據(jù)萬向集團企業(yè)試驗規(guī)范[14],采用振動試驗系統(tǒng),采集0～140 km/h不同轉(zhuǎn)速下的直線行駛工況下的振動數(shù)據(jù),其結(jié)果如圖7所示。

圖7 壓痕對振動噪音影響

考慮到振動測試中固有的背景振動以及振動測量的相對特性,筆者提取出壓痕深度對振動增比的影響函數(shù)關(guān)系,如圖8所示。

圖8 壓痕深度對振動增幅的影響

從振動測試結(jié)果可看出:

(1)同批次不同軸承樣品在同一轉(zhuǎn)速條件下的振動偏差在5%左右,且同一樣品隨著車速的增加,其振動水平也增加;

(2)輪轂軸承振動水平隨著壓痕深度的增加而增加,以100 km/h時速評估,在接觸角處壓痕總深度不超過3.6 μm(1.0 g)條件下,振動增比將在1%以下,但當(dāng)壓痕總深達到4.61 μm(1.1 g)以上時,振動增比將在7%以上。因此,當(dāng)沖擊工況載荷超過1.1 g時,其振動影響顯著增加。

4.2 沖擊對力矩剛性影響

4.2.1 力矩剛性試驗方法

結(jié)合大眾、寶馬、通用汽車等OEM力矩剛性測試規(guī)范,筆者采用力矩剛性試驗系統(tǒng)[15]對試驗樣品進行0～2 kN·m力矩范圍內(nèi)的剛性試驗。

剛性試驗原理圖如圖9所示。

圖9 剛性試驗原理圖

筆者在車輪半徑處施加軸向載荷Fa,通過4個位移傳感器D1、D2、D3、D4測量試驗樣品在力矩作用下傾角變化特征,通過力矩剛性計算公式得出實測結(jié)果。

在試驗中,筆者保持所有樣品外圈零件與加載臂的相對相位關(guān)系與實車安裝關(guān)系一致;而不同樣品鋼球相對相位關(guān)系按照實車的特征隨機分布,不刻意控制其一致性,否則會對力矩剛性試驗結(jié)果產(chǎn)生一定的偏差影響。

4.2.2 力矩剛性試驗結(jié)果與分析

因軸承滾道存在一定深度的壓痕影響了軸承總成的預(yù)緊程度,從而導(dǎo)致軸承力矩剛性發(fā)生一定程度的衰退。

壓痕試驗前后不同力矩下的剛性趨勢如圖10所示。

圖10 沖擊對力矩剛性的影響

在1.2 kN·m力矩下,剛性降比隨壓痕總深度的變化趨勢如圖11所示。

圖11 壓痕深度對剛性的影響

從剛性測試結(jié)果可看出:

(1)同批次不同軸承樣品在同一載荷條件下的振動偏差在8%左右,同一樣品在小力矩階段,隨力矩增加剛性下降,在1 kN·m后,剛性逐漸趨于穩(wěn)定;

(2)輪轂軸承力矩剛性水平隨著力矩增加而下降;以1.2 kN·m力矩評估,在接觸角處壓痕總深不超過3.6 μm(1.0 g)條件下,力矩剛性降比將在1%以下;但當(dāng)壓痕總深達到10.01 μm(1.3 g)以上時,力矩剛性降比將在7%以上。因此,當(dāng)沖擊工況載荷超過1.3 g時,其力矩剛性影響顯著增加。

4.3 壓痕對耐久性壽命的影響

4.3.1 耐久性試驗方法

一般耐久性試驗載荷譜如表6所示。

表6 一般耐久性試驗載荷譜

筆者對未沖擊與沖擊樣件開展疲勞耐久性試驗,試驗全程監(jiān)測試驗樣品的表面溫度、振動加速度,用以判斷軸承的運轉(zhuǎn)狀態(tài),從而進行失效判斷。

試驗加載模式采用旋轉(zhuǎn)件加載,從而模擬車輪的實際受載特征,在試驗樣品表面溫度超過90 ℃時,引入自然風(fēng)進行冷卻,在溫度低于80 ℃條件下,停止冷卻。

4.3.2 試驗結(jié)果與分析

根據(jù)以上載荷譜,筆者開展耐久性壽命試驗,其試驗結(jié)果如表7所示。

表7 壽命試驗結(jié)果匯總表

產(chǎn)品試驗后,法蘭失效的照片如圖12所示。

圖12 法蘭等間距剝落照片

從試驗樣品的結(jié)果分析可以看出:

(1)零件的失效取決于零件自身滾道的損傷,在1.3 g以內(nèi)載荷所形成的滾道塑性損傷,外圈滾道壓痕不大于7 μm,內(nèi)圈滾道壓痕不大于1 μm,法蘭滾道壓痕不大于5 μm,對輪轂軸承的壽命不構(gòu)成影響;而當(dāng)法蘭盤的壓痕深度超過6 μm,對輪轂軸承的壽命產(chǎn)生影響;

(2)在1.3 g載荷條件下,側(cè)向沖擊雖然會引起噪音增大與剛度下降,但對產(chǎn)品的接觸疲勞壽命無顯著影響。

5 結(jié)束語

針對輪轂軸承受側(cè)向沖擊后滾道表面缺陷及總成性能退化問題,筆者采用GM布氏壓痕試驗方法模擬側(cè)向沖擊工況,之后對滾道表面特征進行了提取分析,再對壓痕缺陷樣品進行了振動噪音、力矩剛性、一般耐久測試的試驗方法,表征了輪轂軸承性能的衰退程度。主要研究結(jié)論如下:

(1)基于滾道接觸應(yīng)力與壓痕深度的函數(shù)擬合方法,軸承外圈與法蘭盤滾道壓痕深度與接觸應(yīng)力呈非線性關(guān)聯(lián),內(nèi)圈壓痕深度與接觸應(yīng)力呈線性關(guān)系。隨著側(cè)向沖擊載荷的增大,外圈外側(cè)滾道與法蘭盤滾道最大壓痕深度位置更接近擋邊位置,表明外側(cè)滾道受載損傷程度高于內(nèi)側(cè)滾道。當(dāng)側(cè)向加速度達到1.4 g時,法蘭滾道最大壓痕位置達到擋邊處,產(chǎn)生急劇應(yīng)力突變,才會對軸承耐久壽命產(chǎn)生顯著影響;

(2)基于軸承振動噪音試驗和力矩剛性試驗可得,當(dāng)車輪受到一定程度的側(cè)向沖擊時,輪轂軸承振動和力矩剛性水平衰退明顯。當(dāng)側(cè)向載荷達到1.1 g時,軸承振動增加比例超過7%,當(dāng)達到1.3 g時,軸承力矩剛性水平下降比例超過7%。該分析研究結(jié)果可為開發(fā)抗沖擊型輪轂軸承的滾道結(jié)構(gòu)和接觸應(yīng)力設(shè)計提供試驗參考依據(jù)。

另外,在后續(xù)研究中,筆者將從輪轂軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計、熱處理改進等角度出發(fā),開展提高軸承抗沖擊損傷能力方面的研究。