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文檔簡介
1、摘要:汽車輪轂軸承開發(fā)階段需要進(jìn)行多種性能試驗,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,驗證產(chǎn)品設(shè)計合理與否。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;失效模式;分析方法Failure Mode and Analysis Method for Automobile HubBearingsAbstract: The development stage of automobile hub bearings is required to conduct various perfor
2、mance 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 provides a refer
3、ence for in-depth study of failure mechanism for hub bearings and improvement of product quality.Key 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重要組件,其是否能夠平穩(wěn)可靠地運轉(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)者做過大量的工作口-玦而 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)5 對輪轂軸承載荷譜
4、和失效機(jī)理做了深入探索。文獻(xiàn)6 7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,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性能試驗范圍輪轂軸承開發(fā)驗證的臺架試驗包括:一般耐久性試驗、高速耐久性試驗、疲勞強(qiáng)度試驗、 密封試驗、剛性試驗、動摩擦試驗及沖擊試驗等。設(shè)計的樣品只有順利通過臺架試驗,才能 在主機(jī)廠所指定的路試場進(jìn)行道路試驗。道路試驗綜合了臺架試驗的各種考評項目,能夠真 實反映實際工況。不同的主機(jī)廠有各自的臺架試驗和道路試驗規(guī)范,并明確了評判標(biāo)
5、準(zhǔn)。當(dāng)試驗樣品沒有達(dá)到試驗規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求時,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,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。通過大量失效分析工作的統(tǒng)計發(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。(f)生銹(g)潤滑脂變質(zhì)(h)裂紋(i)沖擊損傷圖1輪轂軸承一般失效模式3失效分析過程開發(fā)階段輪轂軸承的早期失效
6、,即圖1所示的各種失效模式通常來源于5個方面:(1) 產(chǎn)品設(shè)計不合理; 工藝過程未能保證設(shè)計要求;試驗設(shè)備不穩(wěn)定; 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,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)計圖紙、工藝圖紙、車型參數(shù)、試驗規(guī)范、試驗設(shè)備、工 裝信息、失效時試驗員所做的軸承異常運轉(zhuǎn)情況記錄及失效樣品原始檢測報告。其中失效樣 品原始檢測報告應(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)報告和相關(guān)尺寸檢測報告、裝配件的相關(guān)檢測結(jié)果
7、等。由于失效件的原始狀態(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。設(shè)計確認(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)計的合理性。為完成產(chǎn)品 的設(shè)計確認(rèn),分析者需要對輪轂軸承設(shè)計理論8有一定深度的了解,并能夠運用一些輔助工 具,如數(shù)學(xué)計算方法、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)計圖紙和試驗載荷譜信息目,對產(chǎn)品設(shè)計工程師所完成 的設(shè)計進(jìn)行確認(rèn)。需要確認(rèn)的項目包括負(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
8、第1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。(0第3代以帶凸緣的第2代或第3代輪轂軸承為例,有些確認(rèn)項是相互矛盾的。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)
9、度,此時,應(yīng)把軸承強(qiáng) 度放在首位考慮,其屬于關(guān)乎安全性的重要項目。3.3工藝過程確認(rèn)在確定產(chǎn)品無設(shè)計缺陷后,需要以設(shè)計圖紙和企業(yè)規(guī)范作為評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行工藝過程確 認(rèn),以明確設(shè)計是否得到保證。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 測報告為基礎(chǔ),根據(jù)檢測報告逐一核實是否達(dá)到設(shè)計要求。需要核實的項目主要有原材料信息。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。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,需要核實其基體 和滾道的組織、
10、硬度(梯度)及鍛造流線是否滿足要求。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。外購件特性。查看外購件的檢測報告,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) 占度、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1。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,故均需要核實其是否滿足設(shè)計要求。在設(shè)計 得到確認(rèn)、失效樣品原始狀態(tài)的工
11、藝信息核實無誤及試驗過程狀態(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性能試驗的能力。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)計及工藝過程明確失效的原因。失效件在試驗前的原始狀態(tài)通過收集的數(shù)據(jù)得到分 析后,對試驗失效件也要進(jìn)行一些輔助檢測,旨在對比試驗前、后及設(shè)計標(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指標(biāo)不在經(jīng)驗值范圍內(nèi),則應(yīng) 作為失效的關(guān)注點有所側(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)行的失效分析項目,即表1中的實
12、施項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)歷整個過程才能夠發(fā)現(xiàn)。表1失效軸承檢查分析過程序號項11目的配備儀器或手段1外觀檢查、記錄了解軸承與周圍件的接觸情況高清數(shù)碼相機(jī)和筆記2兩次稱重測量滾道存留的脂量,了解潤滑狀態(tài),是否有漏脂稱重儀或天平3西/ .在拎湖|檢測失效件的裝配情況,與試前狀態(tài)及設(shè)計要求做測力儀、(負(fù))游隙檢測儀振動頻譜分析權(quán)歸口 1十何制對比分析,明確裝配件整體性能是否惡化儀、跳動檢測儀、高度儀及檢測工裝觀察滾道潤滑脂和密封唇口的密封情況,是否出現(xiàn)4拆套拍照異常拆套工裝、螺絲刀、高清數(shù)媽相
13、機(jī)5取脂檢測確定潤滑脂是否進(jìn)水或其他雜質(zhì)、是否清潔卡爾費休含水率檢測儀g、紅外光譜儀、能譜儀、熱失重儀及過濾裝置6清洗拍臆觀察磨損的滾道、確定失效形式清洗汽油、高清數(shù)碼相機(jī)體視鏡7零件尺寸檢測檢測各失效零件,并與試驗前及設(shè)計要求做對比,長度儀、粗糙度、輪廓度儀、三坐標(biāo)測量儀明確尺寸變化是否符合要求8探傷、切割取樣檢測零件是否有裂紋 并做好金相分析準(zhǔn)備清洗劑、探傷劑、顯像劑線切割設(shè)備設(shè)計確認(rèn)、工藝確認(rèn)和金相分析,金相分析包括流鑲嵌機(jī)、粗磨機(jī)、精磨機(jī)、拋光機(jī)、洛氏硬度9設(shè)計、工藝分析和檢測線、硬度(梯度)、非金屬夾雜、組織、晶粒度和斷口分計、維氏硬度計、布氏硬度計、酸洗池、金相顯析,密封圈摩擦磨損
14、情況微鏡、電子顯微鏡、工具顯微鏡10匯總提取出與設(shè)計、工藝或工況有關(guān)的異常點整理分析報告,形成書面材料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。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。表2含水率檢測結(jié)果tv,%檢測位置參考標(biāo)準(zhǔn)值實測值外刪 IH. I4.2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
15、了失效,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。(0外溝道剝落(d)外溝道局部放大形貌圖3溝道磨損圖片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。外密封圈位置1(體視鏡)(b)外密時圈位置2(體視鏡)*
16、、(0夕卜密的圈位置1(顯微鏡) (d)外密時圈位置2(顯微鏡)圖4密封圈磨損情況為此,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。5結(jié)束語對輪轂軸承開發(fā)階段涉及的各種性能試驗及失效模式進(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.維修與改造,2007( 4) : 56 60.2趙傳國.滾動軸承失效分析概論J.軸承,1996(1) : 39 45.3 陸驥.滾動軸承的失效分析D.上海:復(fù)旦大學(xué),2006.4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 79.5張雪萍.轎車輪轂軸承失效機(jī)理的理論與實驗研究D.上海:上海交通大學(xué),2002.6 楊林.汽車輪轂軸承早期失效分析及試驗研究D.廣州:華南理工大學(xué),2012. 董建鵬.乘用車前輪轂軸承失效分析D.廣州:華南
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