汽车轮毂轴承失效模式分析及性能提升

汽车轮毂轴承失效模式分析及性能提升
关熊飞，李延超，杨晓勇，刘伟红
（海马轿车有限公司，河南郑州450016）
摘要：轮毂轴承是汽车非常重要的安全部件，本论文列举某车型路试过程中轮毂轴承单元失效的问题进行分析，针对其失效的原因采取相应轴承性能提升的措施。

关键词：汽车；轮毂轴承单元；密封
中图分类号：U463.3 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2015)07-78-03
Failure Mode Analysis Of The Automobile Hub Bearing and Performance Promotion Guan Xiongfei, Li Yanchao, Y ang Xiaoyong, Liu Weihong
( Hippocampus Car Co., Ltd., Henan Zhengzhou 450016 )
Abstract: Hub bearing is very important safety component of automobile, this paper is took about that some vehicle road test analysis of hub bearing unit failure problem in the process, aiming at the cause of failure to take measures to enhance the bearing performance.
Keywords: Automobile; Hub bearing units; obturating
CLC NO.: U463.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)07-78-03
引言
汽车轮毂轴承单元是用于连接制动器、传动轴或者扭力梁，为轮毂的转动传递转矩和支撑整车载荷的作用。

汽车轮毂轴承单元主要承受通过悬架系统传递而来的汽车重量（径向载荷），转向系统中转向力产生的轴向载荷，传动系统传递变速箱和驱动轴扭矩，使汽车前进和后退。

因此轮毂轴承是一个非常重要的部件，保证了汽车运行平稳舒适性和安全性。

一旦失效会导致车辆不能正常行驶，零部件运转异常、异响，零件磨损加剧，使用寿命下降，安全性能降低等问题。

典型的轮毂轴承失效主要有：密封性能失效、内外圈表面疲劳失效。

1、汽车轮毂轴承的结构
轮毂轴承是在角接触球轴承和圆锥滚子轴承的基础上发展起来的专用轮毂轴承单元。

与传统的滚动轴承相比，轮毂轴承单元可预调游隙和预压预置，整体刚性好，可靠性高，并带有凸缘的内圈和外圈，可直接与汽车制动和转动系统联接，结构简化，减少安装空间，便于维修，轴承使用寿命长。

随着现代汽车技术发展，降低能源消耗，舒适性，安全性，模块化，加速性能，智能化要求不断提高，对轮毂轴承的要求也不断向着低摩擦力矩、良好的密封性能、高可靠性，结构紧凑、单元化、高性能、轻量化、智能化方向发展。

根据轮毂轴承单元发展历程，目前轮毂轴承单元可以分为一代、二代、三代、四代轮毂轴承：
第一代轮毂轴承单元是预调游隙，带密封圈的双列轴承。

将原两套分立的角接触球轴承或圆锥滚子轴承集成为一套外圈整体式、内圈背对背组合的双列角接触球轴承或双列圆锥滚子轴承，可预先设定初始游隙值，并且自带密封圈。

第二代轮毂轴承单元是外圈带凸缘的预调游隙，带密封圈的双列轴承。

第1代轮毂轴承单元基础上，使外圈带凸缘，通过螺栓直接连接到悬架上（内圈旋转型），或安装到刹车盘和钢圈上（外圈旋转型）。

第三代轮毂轴承单元是除预调游隙，带密封圈外，其内、外圈均带凸缘，多数还集成了轮速传感器。

在第2代轮毂轴承单元基础上进行改进，如内圈带凸缘用于连接刹车盘和钢
测试试验
作者简介：关熊飞，就职于海马轿车有限公司。

汽车实用技术
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圈，还可集成ABS传感器。

第四代轮毂轴承单元是进一步将双列轴承、连接法兰以及等速万向节集成为一个结构紧凑的整体。

随着轮毂轴承的不断改进和优化，可靠性、刚性及性能越来越高，轻量化和安装方便，ABS传感器集成模块化，因此目前第三代轮毂轴承单元应用越来越广泛，四代轴承在国外已经开始投放市场。

2、轮毂轴承单元的失效模式分析
某车在道路耐久性能试验中，行驶到一定里程（6.5万公里）后发现车辆在直行和低速转向时前轮轮毂轴承异响。

根据试验反馈的问题，轮毂轴承失效模式主要表现为轮毂松旷和轴承异响。

下图为几组轮毂轴承失效后的拆解图片。

图1 轮毂轴承失效拆解图
2.1 经过对该车前轮毂轴承单元的拆解发现下列问题
2.1.1 内圈端面和法兰端面的高度差，即将轴承再用冲床压装一下，压装前、后高度差相差约0.75mm，如下图2所示，这说明轮毂轴承与传动轴法兰端面有相对移动。

图2 存在高度差部位
2.1.2 轴承内外侧均滚道内油脂发黑（见图1），严重磨损，说明轴承密封性能失效，有泥水或者杂质进入。

2.1.3 清洗完轴承上油脂后发现，钢球表面完好，但外圈内侧滚道有剥离麻点，内圈内侧滚道表面剥落（见图1-3）。

说明内、外圈表面疲劳剥落。

2.2 原因分析
2.2.1 通过对前轮毂轴承整体的结构静强度分析，各零件的受力状态和应力分布情况，从整体应力分布看，该轮毂轴承的设计结构理论上是满足整车强度要求（图3），轴承L10理论设计寿命约为67.4万公里，满足轴承的性能要求（图4）。

图3 有限元分析
图4 轴承设计寿命
因此从轮毂轴承载荷分布，载荷计算看，轴承结构设计是满足车辆使用要求的。

2.2.2 通常轮轴寿命下降失效原因主要是由于密封性能下降、润滑脂外漏和内外圈表面疲劳失效造成。

密封主要失效形式是来自外部水和污染物的侵入，使界面腐蚀，进而加速了密封磨损和工作表面疲劳剥落；润滑剂、润滑脂的变质源于老化、水渗入或基油损耗。

长距离运行的失效轮毂单元，显示出轴承的钢球退色，而密封没有失效。

这种情况下，老化的润滑脂变得更硬、润滑性能减弱，可引起噪声更大，滚道表面形状改变，出现打滑或钢球脱色，而且还可能在部分表面出现初始疲劳。

大多数失效套圈上都有可见表面裂纹扩展，而几乎没有剥落的颗粒，剥落扩展非常缓慢，另外一些失效模式是在接触滚道内部，或在钢球与滚道的间隙处出现腐蚀，最终导致点蚀和表面初始疲劳。

轴承疲劳失效，包括局部浅层疲劳和表层疲劳两种失效形式，具体表现为内外圈滚道和滚动体表面有疲劳裂纹或材质剥落。

结合轮毂轴承工作特点及对失效轴承的组织、硬度、材料和润滑状况分析，提出造成轴承疲劳失效的原因大多与轴承体材质、工艺无关，而润滑不良致使润滑油膜形成不理想或游隙过大致使接触面滑动时，除在接触表面存在赫兹应力，还会在接触表面下方产生交变剪切应力，这种剪切应力会导致表面的材质疲劳而产生疲劳裂纹，然后扩展到表面形成材质剥落。

因此通过失效轮毂轴承拆解分析，轮毂轴承失效主要由于自身密封结构失效导致密封密封性能下降，外部泥水异物进入，从而致使零件磨损加剧，轴承内外圈表面疲劳剥落，另外轮毂轴承安装预装力不足,传动轴锁紧螺母力矩不足，轴承内圈压装不到位，车辆行驶时轴承松旷，从而导致疲劳失效。

失效后果表现为内圈产生轴向位移，轴承旋转不平稳，轴承内圈与轮毂产生相对运动，车辆行驶时发生异响，严重时会发生车轮晃动及制动抖动的现象。

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2.3 问题确认
该轴承失效原因首要解决密封性能下降的问题，汽车对轮毂轴承的密封性能有非常苛刻的要求。

不仅要求轮毂轴承具有良好的防漏脂性能,还要有良好的防尘、防泥水、耐磨性能。

轮毂轴承的密封性能与密封圈设计有关,与轮毂轴承周围的结构设计也有密切的关系。

下图为不同密封结构耐泥水试验结果对比。

图5 不同密封结构耐泥水试验
1－轴密封；2－密封圈；3－双唇密封；4－低摩擦整体式密封；
5－具有侧密封唇的轴密封；6－整体式密封
不同密封圈的性能可以根据轮毂轴承周围结构和设计寿命，选择既经济又能满足密封性能要求的密封圈。

3、轮毂轴承性能提升
针对上述轮毂轴承失效模式分析结果，我们对该车的轮毂轴承性能提升做以下改进：
3.1密封圈结构采用密封性能更好的低摩擦整体式密封结构，多密封唇结构，由一个防尘盖和一个密封圈组合成整体式密封结构。

如下图所示：
图6 密封圈结构优化前后3.2下图密封结构引起的轴承内外圈配合尺寸的变化。

图7 内、外圈优化前后
3.3 另外鉴于售后失效件中有一定比例产品存在滚道早期疲劳的情况，故可以对内、外圈材质性能提高，采用良好的耐磨性、较高的接触疲劳性能钢材。

比如为钢号GCr15，E52100等轴承刚。

改进后的轮毂轴承通过300h泥水喷溅试验和道路耐久试验验证，轴承滚道及钢球表面无疲劳剥落，油脂无外漏，轴承完好。

4、结论
总之轮毂轴承失效，导致轴承旋转不平稳，汽车行驶时发生异响，严重时引起车轮晃动和制动抖动的问题。

根据失效机理，大多是由于轴承密封性能下降，外部泥水，杂质进入，导致润滑脂性能下降，内外圈，钢球磨损加剧，最终疲劳失效。

所以轮毂轴承的性能满足不仅仅要分析其结构强度，载荷分布，设计寿命，更重要的是密封圈性能和润滑脂是否满足使用要求。

参考文献
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