不同溫度下潤(rùn)滑脂對(duì)輪轂軸承疲勞壽命的影響

錢培慶，李興林，周旭，黃德杰，劉建龍

（1. 上汽大眾汽車有限公司，上海 201805；2.杭州軸承試驗(yàn)研究中心有限公司，杭州 310022；3.機(jī)械工業(yè)軸承產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)中心（杭州），杭州 310022；4.浙江萬向精工有限公司，杭州 311215；5.中國(guó)石化潤(rùn)滑油有限公司潤(rùn)滑脂研究院，天津 300480）

目前，因?qū)?rùn)滑脂實(shí)際應(yīng)用工況了解程度有限，知名潤(rùn)滑脂制造商對(duì)新潤(rùn)滑脂研發(fā)工作主要集中于研究其理化性能，依據(jù)石油化工行業(yè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)研究其物理性能的變化程度[1－2]，從而確定產(chǎn)品的性能指標(biāo)。近年來，高端軸承客戶與終端乘用車客戶基于輪轂軸承潤(rùn)滑脂使用中發(fā)現(xiàn)的應(yīng)用問題，如高溫、污染、異常白色組織剝落、泄漏、微動(dòng)磨損等導(dǎo)致輪轂軸承壽命急劇下降，逐步形成了潤(rùn)滑脂綜合性能評(píng)價(jià)新標(biāo)準(zhǔn)，其中最典型的是由FAG公司擬定的潤(rùn)滑脂F(xiàn)E9壽命試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[3－4]，其采用標(biāo)準(zhǔn)軸承在不同溫度下進(jìn)行潤(rùn)滑脂壽命評(píng)價(jià)，該試驗(yàn)系統(tǒng)也被潤(rùn)滑脂公司采用。而文獻(xiàn)[5]研制的潤(rùn)滑脂壽命試驗(yàn)系統(tǒng)也被國(guó)內(nèi)潤(rùn)滑脂公司采用。

輪轂軸承安裝于整車制動(dòng)總成上，服役過程中承載、傳動(dòng)與制動(dòng)工況會(huì)引起滾道溫升，在不同溫度下輪轂軸承表現(xiàn)出不同的壽命特征[6]，對(duì)應(yīng)用需求有重大影響?，F(xiàn)通過改變潤(rùn)滑脂環(huán)境溫度，研究既定工況下輪轂軸承潤(rùn)滑脂的壽命特征，分析其物理性能、溫度工況、壽命特征與失效模式之間的規(guī)律。

1 壽命試驗(yàn)

1.1 潤(rùn)滑脂

依據(jù)稠化劑類型，選取應(yīng)用于輪轂軸承中較典型的2種潤(rùn)滑脂——復(fù)合鋰基脂和聚脲脂（牌號(hào)分別為051＃和027＃）進(jìn)行研究，其理化指標(biāo)見表1[7]51。相關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為：ASTM D217《潤(rùn)滑劑針入度的測(cè)試方法》，ASTM D566《潤(rùn)滑脂滴點(diǎn)測(cè)定法》，ASTM D1478《滾珠軸承潤(rùn)滑脂低溫轉(zhuǎn)矩測(cè)定法》，ASTM D2596《潤(rùn)滑脂極壓性能測(cè)定法》，IP 121《潤(rùn)滑脂在貯存期間分油量測(cè)定法》，ASTM D942《氧彈法測(cè)定潤(rùn)滑脂氧化穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》，ASTM D4048《潤(rùn)滑脂銅片腐蝕試驗(yàn)法》，ASTM D4170《潤(rùn)滑脂對(duì)微振磨損保護(hù)性的試驗(yàn)方法》。

表1 2種潤(rùn)滑脂的理化指標(biāo)Tab.1 Physicochemical indexes of two greases

選擇穩(wěn)定控制溝道預(yù)載荷的第3代輪轂軸承作為試樣（圖1），該軸承為雙列背靠背角接觸球軸承（尺寸為φ88 mm×φ27 mm×48 mm），外圈、凸緣材料為1055鋼，內(nèi)圈、鋼球材料為52100鋼。為可靠評(píng)價(jià)試驗(yàn)軸承壽命，對(duì)與其相關(guān)的指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格控制，控制指標(biāo)如下：軸向預(yù)載荷為2.0～2.5 kN；2列溝道接觸角為35°±3°；每列溝道填脂量為5 g；4個(gè)溝道的圓度均不大于3μm，表面粗糙度Ra值不大于0.10μm；鋼球表面粗糙度Ra值不大于0.02μm，形狀誤差不大于0.25μm；總成凸緣跳動(dòng)不大于0.02 mm。

圖1 試樣結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of sample

不同溫度下每種潤(rùn)滑脂試驗(yàn)4套試樣，分成6組（A～F組），試樣總數(shù)為24套，試樣分組見表2。

表2 試樣分組Tab.2 Grouped samples

1.2 試驗(yàn)方法

采用雙工位高低溫耐久性試驗(yàn)系統(tǒng)開展軸承壽命試驗(yàn)，環(huán)境箱溫度可實(shí)現(xiàn)恒溫控制，偏差不大于10℃。試驗(yàn)原理圖如圖2所示，軸承凸緣與主軸連接，實(shí)現(xiàn)軸承旋轉(zhuǎn)（內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)，外圈固定）工況模擬，外圈與L形加載力臂連接，通過軸向和徑向加載機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承施加徑向載荷Fr與軸向載荷Fa，加載半徑R和偏距ET與試樣的實(shí)際裝車特征一致。

圖2 試驗(yàn)原理圖Fig.2 Schematic diagram of test

采用歐洲路況采集統(tǒng)計(jì)的AK45載荷譜[8]6進(jìn)行強(qiáng)化耐久性試驗(yàn)，所有試樣均試驗(yàn)到失效停止。采用1個(gè)振動(dòng)加速度傳感器、2個(gè)非接觸式紅外測(cè)溫儀分別監(jiān)測(cè)試樣的振動(dòng)水平（軸向和徑向）、環(huán)境箱溫度和外圈表面溫度。設(shè)置振動(dòng)加速度值的2倍初始值為報(bào)警極限，采集溫度是為了間接反映溝道潤(rùn)滑脂的工作溫度。

2 結(jié)果與分析

2.1 壽命試驗(yàn)結(jié)果及可靠度分析

軸承壽命試驗(yàn)結(jié)果（循環(huán)次數(shù)）見表3。

表3 軸承壽命試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Life test results for bearing

輪轂軸承疲勞壽命特征服從Weibull分布，大部分汽車公司均采用Weibull分布[9]來評(píng)價(jià)輪轂軸承的壽命。不同溫度下軸承壽命的Weibull可靠度分析結(jié)果如圖3所示，從中得到軸承可靠度壽命和形狀參數(shù)B見表4。

圖3 試驗(yàn)壽命結(jié)果Fig.3 Test life results

表4 軸承可靠度壽命和形狀參數(shù)Tab.4 Reliability life and shape parameter of bearing

由圖3、表4可知，軸承工作壽命隨環(huán)境溫度升高而下降，在20℃下，聚脲脂L10（90%可靠度）壽命比復(fù)合鋰基脂的高54%。由表1可知，聚脲脂的使用溫度范圍和微動(dòng)磨損性能優(yōu)于復(fù)合鋰基脂，但燒結(jié)載荷遠(yuǎn)低于復(fù)合鋰基脂，承載性能相對(duì)較差（承載性能主要受添加劑的影響）。與復(fù)合鋰稠化劑相比，聚脲稠化劑可以在溝道及鋼球表面形成良好的物理吸附層，起到補(bǔ)充和增大接觸區(qū)潤(rùn)滑膜厚的作用，因此，20℃時(shí)聚脲脂工作壽命更長(zhǎng)。但是，當(dāng)環(huán)境溫度超過50℃時(shí)，在試驗(yàn)載荷的作用下，軸承內(nèi)部溫度達(dá)到102℃以上，2種潤(rùn)滑脂中的基礎(chǔ)油開始發(fā)生氧化變質(zhì)，導(dǎo)致其潤(rùn)滑性能下降，壽命縮短。尤其環(huán)境溫度超過80℃時(shí)，軸承內(nèi)部溫度達(dá)到146℃，接近潤(rùn)滑脂的極限工作溫度，壽命大大縮短，L10壽命僅為20℃時(shí)的3%～5%。此外，隨環(huán)境溫度升高，軸承壽命穩(wěn)定性有所下降，但其形狀參數(shù)均大于3，反映了產(chǎn)品仍具有較高的質(zhì)量一致性[9]。

2.2 環(huán)境溫度與壽命關(guān)系

試驗(yàn)中溫度平均水平見表5。由表可知，在3種環(huán)境溫度下，既定載荷工況下6組試驗(yàn)軸承表面溫升均為40℃左右。

表5 試驗(yàn)過程溫度水平Tab.5 Temperature levels during test

環(huán)境溫度與軸承壽命的關(guān)系如圖4所示，分別擬合2種潤(rùn)滑脂的環(huán)境溫度與壽命的關(guān)系曲線，得到圖中的二次函數(shù)式，即潤(rùn)滑脂與環(huán)境溫度的預(yù)測(cè)函數(shù)模型。

圖4 環(huán)境溫度與軸承壽命的關(guān)系圖Fig.4 Relationship between environment temperature and bearing life

3 失效模式分析

試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，試樣的失效模式見表6，特征圖如圖5所示。

表6 試樣失效模式Tab.6 Failure modes of samples

圖5 試樣典型失效特征圖Fig.5 Typical failure characteristic diagrams of samples

所有試驗(yàn)軸承均為同批次，經(jīng)檢測(cè)其軸向預(yù)緊、接觸角、溝道尺寸與形位公差、溝道表面硬度與熱處理水平、材料純凈度水平均一致，這些因素不會(huì)引起6組軸承的工作壽命差異。

6組軸承壽命差異源于工作溫度對(duì)潤(rùn)滑脂性能的影響，軸承在3種環(huán)境溫度下工作，外表面溫升達(dá)40℃，E，F(xiàn)組軸承潤(rùn)滑脂的工作溫度達(dá)到140℃，接近潤(rùn)滑脂的工作極限溫度。觀察試驗(yàn)后的潤(rùn)滑脂，A，B組潤(rùn)滑脂仍保持新脂顏色，具有較好的潤(rùn)滑效果；C，D組潤(rùn)滑脂顏色暗淡，發(fā)生了部分氧化質(zhì)變；E，F(xiàn)組潤(rùn)滑脂嚴(yán)重發(fā)黑，已發(fā)生嚴(yán)重的氧化質(zhì)變。

選取試驗(yàn)后典型剝落試樣，沿剝落中心剖切，進(jìn)行金相分析，結(jié)果如圖6所示。由圖可知：A，B組試樣中凸緣與鋼球均為正常疲勞剝落，有明顯的黑色疲勞組織；C～F組試樣中鋼球均屬于異常剝落，無黑色疲勞組織，剝落鋼球次表層有白化氫脆組織，這是因?yàn)樵诟邷丶癆K45載荷工況下，潤(rùn)滑脂在接觸區(qū)不易形成良好的潤(rùn)滑膜，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，潤(rùn)滑膜逐漸破裂，導(dǎo)致接觸區(qū)形成新鮮金屬表面，新鮮金屬具有較強(qiáng)的化學(xué)活性，與潤(rùn)滑脂發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氫離子，氫離子滲入承載鋼球次表層形成白色氫脆組織，進(jìn)而引發(fā)脆性剝落。

圖6 剝落試樣的金相組織Fig.6 Metallographical structures of spalling samples

通過失效分析可知，在高溫和AK45特定載荷譜下，軸承壽命大幅下降與潤(rùn)滑脂質(zhì)變有直接關(guān)系。

4 結(jié)論

1）在20℃下，聚脲型潤(rùn)滑脂壽命比復(fù)合鋰基脂的高54%，軸承失效形式為正常的接觸疲勞。

2）環(huán)境溫度超過50℃時(shí)，2種潤(rùn)滑脂壽命相近，潤(rùn)滑脂因高溫分解導(dǎo)致軸承溝道發(fā)生異常白色組織剝落，溫度越高，反應(yīng)越劇烈，壽命越短。