關（guān）熊飛，李延超，楊曉勇，劉偉紅
（海馬轎車有限公司，河南鄭州 450016）
摘（zhāi） 要：輪轂軸承是汽車非常重要（yào）的安全部件，本論文（wén）列舉某車型路試過程中輪轂軸承單元失效的問題進行分析，針對其失效（xiào）的原因采（cǎi）取（qǔ）相（xiàng）應軸（zhóu）承性能（néng）提升的（de）措施。
關鍵詞（cí）：汽車；輪轂軸承單元；密封
引言
汽車輪轂軸承單（dān）元是（shì）用於連接製動器、傳動（dòng）軸或者（zhě）扭力梁，為輪轂的轉動傳遞轉矩和支撐整車載荷的作用。汽車輪轂軸（zhóu）承單元主要承受通過懸架（jià）係統傳遞而來的汽車重（chóng）量（徑（jìng）向載荷），轉向係統中轉向力（lì）產生的軸向載荷，傳動係統傳遞變速箱和驅動軸扭矩，使汽車前進和後退。因此輪（lún）轂軸承是一個非常重要的部件，保證了汽車運行平穩舒適性和安全性。一旦失效（xiào）會導致車輛不能正（zhèng）常行駛，零部件運轉（zhuǎn）異常、異響，零件磨損加劇，使用（yòng）壽命下降，安全性能降低等問題。典型（xíng）的（de）輪轂軸承失效主要有：密封性能失（shī）效、內外圈表麵疲勞失效。
1、汽車輪（lún）轂軸承的結構（gòu）
輪轂軸承是在角接觸球軸承和圓錐滾子軸承的基礎（chǔ）上發展起來的專用輪轂軸承單元。與傳統的滾動軸承相比，輪轂軸承單元可預調遊隙和預壓預置，整體剛性好，可靠性（xìng）高，並帶有凸緣的（de）內圈和外圈，可直（zhí）接與汽車製動和轉動（dòng）係統聯接，結構簡化，減少安裝空間（jiān），便於維修，軸承使用壽命長（zhǎng）。
隨著現代汽車技術發（fā）展（zhǎn），降低能源消耗（hào），舒適性，安全性（xìng），模塊化，加速性能，智能化要（yào）求不斷提高，對輪轂（gū）軸承的要求也不斷向著低摩擦力矩、良好的密封性能、高可靠性，結構緊湊、單元化、高性能（néng）、輕量化、智能化方（fāng）向發（fā）展。根據輪轂軸承（chéng）單元發（fā）展曆程，目前（qián）輪轂軸承單元（yuán）可（kě）以分為一代、二代、三代、四代輪轂（gū）軸（zhóu）承：
代（dài）輪轂軸承單元是預調遊隙（xì），帶密封圈的雙列軸承。將原兩套分（fèn）立的角接觸球軸承或圓錐滾子（zǐ）軸承集成為一套外圈整體式、內圈背對背組合的雙列角接觸（chù）球軸承或雙列圓錐滾子軸（zhóu）承，可（kě）預先設定初始遊隙值，並且自帶密封圈。
第（dì）二代輪轂軸承單元是外圈帶凸緣的預調遊隙，帶密封圈的雙列軸（zhóu）承。第1代輪（lún）轂軸承單元基礎上，使外圈帶凸緣，通過螺栓直接連接到懸架上（內圈（quān）旋轉型），或（huò）安裝到刹車盤和鋼圈（quān）上（shàng）（外圈（quān）旋轉型）。
第三代（dài）輪轂軸承單元是除預調遊隙，帶密封圈外，其（qí）內、外圈（quān）均帶凸緣，多數還集成（chéng）了輪速傳感器（qì）。在第2代輪轂軸承（chéng）單元基礎上進行改進，如內（nèi）圈帶凸緣用（yòng）於連接（jiē）刹車盤和鋼圈，還（hái）可集成ABS傳感器。
第（dì）四代輪轂軸承單元是進一（yī）步將雙列（liè）軸承（chéng）、連接法蘭以及等速萬向節集成為一個結構緊湊的整體。
隨著輪轂軸承的不斷改進和優化，可靠性（xìng）、剛性及性能越來越高，輕量化和安裝方便，ABS傳感器集成模塊化，因此目前第（dì）三代輪轂軸承單元應用越來（lái）越廣（guǎng）泛，四代軸承在國外已（yǐ）經開始（shǐ）投放市場。
2、輪轂軸承單元的失效模式分析
某車（chē）在道路耐久性能（néng）試驗中，行駛到一定裏程（6.5萬公（gōng）裏）後發現車輛在直行和低速轉向時（shí）前輪輪轂軸承異響。根據試驗（yàn）反饋的問（wèn）題，輪轂軸承失（shī）效模式主要表（biǎo）現為輪轂鬆曠和軸承異響。下圖為幾組輪轂軸承失效後的拆（chāi）解圖片。
2.1經過對該車前輪轂軸承單元的（de）拆解發現下列問題
2.1.1內圈端麵和法蘭端麵的高度（dù）差，即將軸承再用衝床壓裝一下，壓裝前、後高度（dù）差相差約（yuē）0.75mm，如（rú）下圖2所示，這說明輪轂軸承與傳動軸法蘭端麵有相對移動（dòng）。
2.1.2軸承內外側均滾道內（nèi）油脂發黑（見圖1），嚴重磨損（sǔn），說明軸承密封性能失效，有泥水或者雜質進入。
2.1.3清洗（xǐ）完軸承上油脂後發現（xiàn），鋼球表麵完好，但外（wài）圈內側滾道有剝離麻點，內圈內側滾道表麵剝落（見圖1-3）。說明內、外圈表麵疲勞剝（bāo）落。
2.2原因分析
2.2.1通過對前輪轂軸承整體的結（jié）構靜強度分析，各零件的受力狀態（tài）和應力分布情況，從整體應力分布看（kàn），該輪轂軸承的設（shè）計結構理論上是滿足整車（chē）強度要求（圖3），軸承L10理論設（shè）計壽（shòu）命約為67.4萬公裏，滿（mǎn）足軸承的性（xìng）能要求（圖4）。
因此從輪轂軸承載荷分布，載荷計算看，軸承結構設計是滿足（zú）車輛使（shǐ）用要求的。
2.2.2通常輪軸壽命下降失效原因主要是由於密（mì）封性（xìng）能下降、潤滑脂外漏和內外圈表麵疲勞失效造成（chéng）。
密封主要失（shī）效形式是來自外部水（shuǐ）和汙染物的侵入，使界麵腐蝕，進而加速了密封（fēng）磨損和工作表麵疲勞剝落；潤滑劑、潤滑脂的變質源於老化、水滲入或基油損耗（hào）。長距離運行的失效輪（lún）轂單元，顯示出軸承（chéng）的鋼球退色，而密封沒有失效（xiào）。這種情況下，老化的潤滑脂變得（dé）更硬（yìng）、潤滑性能減弱，可引起噪聲更大，滾道表麵形狀改變，出現（xiàn）打滑或鋼球脫色，而且還可能在（zài）部分表麵（miàn）出現初始疲勞。
大多數失效套圈上都有可見表麵裂紋擴展，而幾乎沒有剝落的顆粒，剝落擴展非常緩慢，另外（wài）一些失效模式是在接觸滾道（dào）內部，或在鋼球與滾道的間隙處出現腐蝕，Z終導致點蝕和表麵初始疲勞。
軸承疲勞失效，包（bāo）括局部淺（qiǎn）層疲勞和表層疲勞（láo）兩種（zhǒng）失效形式，具體表現為內外圈滾道（dào）和滾動體表麵有疲勞裂紋或（huò）材質剝落。結合輪轂軸承工作特點及對失效軸承的組織、硬度、材料和潤滑狀況分（fèn）析，提出造成軸（zhóu）承疲勞（láo）失效的原（yuán）因大多與軸承體材質、工藝無關，而潤滑不良致使潤滑油膜（mó）形成不（bú）理想或遊（yóu）隙過大致使接觸麵滑（huá）動時，除在接觸表麵存在赫茲應力，還會在接觸表麵下方產生交變剪切（qiē）應（yīng）力，這種剪切應力會導致表麵的材質疲勞而產生疲勞裂紋，然後擴展到表麵形（xíng）成材質剝落。
因此通過失效輪轂軸承拆解分析，輪轂軸承失效主要由於自身密（mì）封結構失效導致密封密封性能下降，外部泥水異物進入，從而致使零件磨（mó）損加劇（jù），軸承內外圈表麵疲勞剝落，另外輪轂軸承安裝預裝力不足，傳（chuán）動軸鎖緊螺母力矩不足，軸承內圈壓裝不到位，車輛行駛時軸承鬆曠，從而導致疲勞（láo）失（shī）效。失效後果表現為內圈產生軸向位移，軸承旋轉不平穩，軸承內圈與輪轂產生相（xiàng）對運（yùn）動，車輛行駛時發生異響，嚴重時會發生車輪（lún）晃動及製動抖動的現象。
2.3問題確認
該軸承失效原因首要解決（jué）密封（fēng）性能下（xià）降的（de）問題，汽車對輪轂軸（zhóu）承的密封性能有非常苛刻的要求。不僅要求輪轂（gū）軸承（chéng）具有良好的防漏脂性能，還要（yào）有（yǒu）良好的防塵、防泥水、耐磨性能。輪轂軸承的密封性能與密封圈設計有關，與輪轂軸承周圍的結構設（shè）計也有密切的關係。下圖為不（bú）同密封結構耐（nài）泥水試驗結果對比。
不同密封圈的性能可以（yǐ）根據輪轂軸承周圍結構和設計壽命，選擇既經濟又（yòu）能滿足密封性能（néng）要求的密封圈。
3、輪轂軸承性能提升
針對上述輪轂軸承失效模式分析結果，我們對該車的輪轂（gū）軸承性能提升做以下改進：
3.1密封圈結構采（cǎi）用密封性能更好的低摩擦整體式（shì）密封結構（gòu），多密封唇結構，由一個防塵蓋（gài）和一個密封圈組合成整（zhěng）體式密封結構。如下圖所示：
3.2下圖（tú）密封結構引起的軸承內外圈配合尺寸的變化。
3.3另外鑒於售後（hòu）失效件中有（yǒu）一定比例產品存在滾道早期疲勞的情況，故可以對內、外圈材質性能提高，采（cǎi）用良好的耐磨性、較高的接觸疲勞性能鋼材。比如為鋼號GCr15，E52100等（děng）軸承剛。
改進後的輪轂軸承通過300h泥水噴濺（jiàn）試驗和道路耐久（jiǔ）試驗（yàn）驗證，軸承（chéng）滾道及鋼球（qiú）表麵無疲（pí）勞剝落，油脂（zhī）無外漏，軸承完好。
4、結論
總（zǒng）之輪轂（gū）軸承失效，導致軸承旋轉不平穩，汽車行駛時發生異響，嚴重時引起車輪晃動和製（zhì）動抖（dǒu）動的問題。根據失效機理，大多是由於（yú）軸承密封性能下降，外部泥水（shuǐ），雜質進入，導致潤滑脂性能下降，內外圈，鋼球磨損加劇，Z終疲勞失效。所以輪轂軸承的性能滿足不僅僅（jǐn）要分析其結構強度，載荷分（fèn）布，設計壽命，更重要的是密封圈性（xìng）能和潤滑脂是否滿足使用（yòng）要求。
參考文（wén）獻
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來源：《汽車實用技術（shù）》2015年第7期
