影響汽車發(fā)電機(jī)軸承使用壽命的主要因素分析及改進(jìn)

汪凱

摘 要：該文汽車發(fā)電機(jī)軸承為研究對象，通過對影響該類軸承使用壽命的分析，提出對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及熱處理加工工藝的改進(jìn)來滿足高端汽車客戶對軸承使用壽命的要求。

關(guān)鍵詞：汽車發(fā)電機(jī)軸承 密封 結(jié)構(gòu) 使用壽命

中圖分類號：TM316 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1674-098X（2014）01（a）-0103-01

隨著汽車性能的不斷提高，對汽車發(fā)電機(jī)軸承的性能有更高的要求，尤其是高轉(zhuǎn)速、變速變載、高低溫環(huán)境、高密封性能以及低的啟動(dòng)和旋轉(zhuǎn)力矩、高可靠性等要求。目前，國內(nèi)軸承產(chǎn)品質(zhì)量水平與國外相比主要問題有密封性能較差、產(chǎn)品可靠性不高，難以滿足國內(nèi)外整機(jī)廠的要求，國內(nèi)生產(chǎn)的汽車發(fā)電機(jī)軸承僅僅是以售后維修市場為主。而要滿足汽車整機(jī)廠的要求，對汽車發(fā)電機(jī)軸承的使用壽命的研究顯得極為迫切，該文主要討論從軸承參數(shù)設(shè)計(jì)、軸承加工工藝上方面的改進(jìn)來提高發(fā)電機(jī)軸承的使用壽命。

1 汽車發(fā)電機(jī)軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)

為滿足汽車發(fā)電機(jī)軸承高密封性能及高可靠性的要求，對發(fā)電機(jī)軸承做如下改進(jìn)：（1）軸承套圈溝曲率半徑的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以保證軸承在安裝使用中在一定的徑向游隙時(shí)有較小軸向游隙，這樣可以降低軸承本身的旋轉(zhuǎn)力矩，減少軸承內(nèi)部摩擦；一般取內(nèi)圈溝曲率系數(shù)取0.505，外圈溝曲率系數(shù)取0.525，這樣設(shè)計(jì)溝曲率既能滿足套圈溝道對鋼球的包裹性，又能減小產(chǎn)品的軸向竄動(dòng)；（2）密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，發(fā)電機(jī)軸承從啟動(dòng)開始從0轉(zhuǎn)速直到20000轉(zhuǎn)高速，轉(zhuǎn)速范圍較大，并且有時(shí)還要在極短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到一定高的轉(zhuǎn)速，也就是說需要承受較大的加速度。同時(shí)要保證不能漏脂、并盡量減小摩擦力矩，因此此類軸承即需要有高速性能，有需要有較好的密封性能。因此，設(shè)計(jì)了圖二的改進(jìn)后的密封結(jié)構(gòu)。

改進(jìn)后的密封結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是密封唇頸較窄，能有效降低摩擦力矩，滿足高速性能要求，密封唇采用三唇結(jié)構(gòu)，能有效的阻止灰塵、水汽進(jìn)入軸承內(nèi)部，又能起到防止漏脂作用。相比下改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)比改進(jìn)前的結(jié)構(gòu)密封性能更好，扭矩更輕，更適合高速旋轉(zhuǎn)。

2 熱處理工藝的改進(jìn)

軸承鋼熱處理后其內(nèi)部組織直接影響軸承的使用壽命，當(dāng)高碳鋼淬火時(shí)獲得中隱晶馬氏體時(shí)軸承零件才可能獲得抗失效能力最佳的基體，同時(shí)還要控制組織中的殘余奧氏體的含量。通過分析，多次試驗(yàn)可以知道，降低殘余奧氏體的方法如下：（1）采用二次回火或多次回火，在生產(chǎn)過程中可以增加磨加工工序間的回火，每次磨加工后進(jìn)行一次回火，使套圈組織更穩(wěn)定。這是因?yàn)闅堄鄪W氏體熱穩(wěn)定性較差，回火使其轉(zhuǎn)化為熱穩(wěn)定性更強(qiáng)的馬氏體，多次回火可使殘奧充分轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。（2）冰冷處理（-120 ℃冰冷處理）：冰冷處理使大部分殘奧轉(zhuǎn)化為馬氏體，使套圈更穩(wěn)定。（3）選擇合適的淬火溫度：通過反復(fù)試驗(yàn)及分析得出軸承鋼的淬火溫度控制在850 ℃為宜。否則殘奧含量大增，且馬氏體組織粗大。因此，熱處理過程中應(yīng)選用合適的淬火介質(zhì)，增大冷卻速度。

磨加工過程中附加回火，在循環(huán)一次磨加工后，采用150 ℃附加回火，消除磨削過程中產(chǎn)生的附加應(yīng)力（淬火后的套圈內(nèi)存有應(yīng)力；粗磨時(shí)切去最外層金屬，引起內(nèi)應(yīng)力重新分布而發(fā)生變形；粗磨時(shí)磨削力和磨削溫度高，工件容易產(chǎn)生彈性變形和熱變形，通過附件回火進(jìn)一步控制和穩(wěn)定殘余奧氏體，使得軸承的尺寸穩(wěn)定性更好。試驗(yàn)證明，沒有進(jìn)行真空淬火+附件回火的產(chǎn)品在磨削過程中其變形量增加30%。因此對于高精密軸承熱處理工藝直接影響產(chǎn)品的加工尺寸的穩(wěn)定性及軸承安裝使用壽命。

3 溝道表面硬化工藝的處理

眾所周之，軸承套圈在加工過程中，由于磨削熱而不可避免要在表面產(chǎn)生磨削變質(zhì)層，這些變質(zhì)層厚達(dá)2～3 μm左右，變質(zhì)層可使溝道表面硬度下降，而且是拉應(yīng)力層，易產(chǎn)生疲勞裂紋，這對軸承的疲勞壽命和可靠性大大不利。因此，在一般的磨加工中，套圈已加工表面會(huì)出現(xiàn)殘余拉應(yīng)力，而且比較難控制，為此提出軸承溝道表面強(qiáng)化研磨的新加工方法，運(yùn)用該方法能夠改善套圈表面性能，生產(chǎn)出表面具有有利的殘余壓應(yīng)力的套圈，延長其疲勞壽命。

使產(chǎn)品表面具有壓應(yīng)力的方法有幾種，（1）采用把強(qiáng)化研磨料（由圓形陶瓷球、強(qiáng)化液和研磨液組成）噴射產(chǎn)品表面，撞擊產(chǎn)品表面來產(chǎn)生壓應(yīng)力；（2）采用液泡震蕩的方式與套圈一起震蕩，來撞擊套圈溝道表面，使溝道表面層發(fā)生彈塑性變形，引起強(qiáng)化層亞晶粒細(xì)化、位錯(cuò)密度增加，撞擊的實(shí)質(zhì)是由于強(qiáng)化研磨料尤其是研磨粉與溝道產(chǎn)生切向運(yùn)動(dòng)使溝道表面上產(chǎn)生摩擦和微切削，從而產(chǎn)生研磨加工，同時(shí)還可以達(dá)到降低表面粗糙度的效果。

針對溝道表面沒有進(jìn)行硬化加工的與進(jìn)行硬化加工的零件進(jìn)行表面壓應(yīng)力測試，經(jīng)過強(qiáng)化處理的零件表面壓應(yīng)力的數(shù)值比沒有處理的高出2倍多，并對其進(jìn)行裝機(jī)試驗(yàn)，經(jīng)過強(qiáng)化的產(chǎn)品比沒有處理的壽命提高60%以上。因此，套圈溝道表面硬化也是高速精密軸承加工中必不可少的一道工序，而一般軸承則無需此工序。

4 結(jié)語

通過對影響汽車發(fā)電機(jī)軸承使用壽命的因素分析，優(yōu)化此類軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改善熱處理工藝，控制軸承鋼熱處理后的內(nèi)部組織，來提升發(fā)電機(jī)軸承的使用壽命。另外，為了更能適應(yīng)高低溫、高速、變載可進(jìn)一步對其磨加工、尤其是超精工藝的研究，來進(jìn)一步提升此類軸承的使用壽命。同時(shí)也可為其他領(lǐng)域的使用條件苛刻的軸承上起到借鑒作用。

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