汽车轮毂轴承失效模式与分析方法
【精品】滚动轴承失效模式及研究方法
– 疲劳失效指滚道和滚动体上发生 碎裂，并随之产生材料碎片脱落
– 这种疲劳为逐渐发生，一旦开始 则迅速扩展，并伴随明显的振动 增加
– 更换轴承，和设计有更长疲劳寿 命的轴承
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轴承故障原因及其解决
反向载荷
– 角接触轴承的设计只接受一个方 向的轴向载荷
– 当方向相反时，外圈的椭圆接触 区域被削平。。。
•第一阶段
•第二阶 段 •第三阶段
•第四阶段
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滚 动 轴 承 故 障 发 展 的 四 个 阶
段•第一阶段•只是 Nhomakorabeag SE有明显指示
•第二阶段
•g SE明显增大，开始出现 轴承零件共振频率并伴有1X 转速频率边带
•第三阶段
•A.仅出现滚动轴承故障频 率(没有1X边带频率)
•B.滚动轴承跑道圆周上出 现轻微磨损时，便出现轴 承故障频率的谐波频率
障频率尖峰 轴 承 剩 余 寿 命 大 于 B-10 规 定 的 百 分
之十(注)
注：基于百分之九十的置信度
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滚动轴承故障发展的第二阶段
噪声略增大
轴承温度正常
超声，声发射，振动尖峰能量有大的 增大，轴承外环有缺陷
振动总量略增大(振动加速度总量和振 动速度总量)
在对数频谱上可清楚地看到轴承故障 频率，而在线性频谱上难以看到；噪 声地平明显提高
轴 承 剩 余 寿 命 小 于 B-10 规 定 的 百 分 之 五 ( 注)
注：基于百分之九十的置信度
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滚动轴承故障发展的第三阶段
可以听到噪声 轴承温度略升高 非常高的超声，声发射，振动尖峰能
量，轴承外环有故障 振动加速度总量和振动速度总量有大
的增大 在线性频谱上清楚地看出轴承故障频
货车滚动轴承故障分析及解决措施ppt课件
a、缺油时转动轻松，严重缺油者，转动时明显听到滚子均匀下落的声音，缺油故障多发生在装车使用两年以上的轴承上。对这类故障如没有明显发热特征时列检可以放行。
b、轴承如果在制造、大修时注油量过大，装车使用后会因油脂过盈产生较高的运转热，容易引起红外线报警，油脂过盈对发生在新装车使用在两个月以内的轴承上，运转时沉重但五异音。按照规定发生热轴故障时，轴温点温超过外温40℃以上时必须换轮。
并要尽最大努力改善调车作业中加强车轮踏面擦伤技术状态检查，对擦伤过限及时扣修，积极组织处理制动故障。
2、加强列检标准化作业在对轴承进行听、摸、看检查的基础上，对有疑问的故障要抓住“捻、转、诊、鉴”这几个环节。
A、用“捻”判断油脂在轴承外部及侧架、车底板、轮辐板有大量甩油时，用手指捻取油脂，当指纹中有金属亮点，并且油脂呈银灰色时，为轴承滚子内、外圈滚道剥离脱落所致。杂质使得轴承内部摩擦加剧，甚至造成保持架破损，若油脂发黑，手指捻动时可清楚的看清指纹，则属于陈旧油纱伺卸现岢凶刺！
在区间确因场地无法就地换轮的应按车辆原运行方向挂往前方站。严禁反方向回挂，否则，易导致轴承保持架破碎而发生切轴事故。
E、轴承滚道擦伤、剥离如果轴承内外圈存在材质不良等缺陷或车辆运行状态不良，轴承经过长期运转后可能发生滚道局部擦伤或剥离，对此类故障检查人员如果用力向下按或向上托起轴承转动，可以感觉到轴承有节奏的振动。
一方面是大量甩车换轮，严重影响安全畅通，另一方面，是对真正的故障误判放行，造成中途复甩，甚至发生燃轴、切轴等恶性事故，给国家造成巨大损失。因此，泉北机电对这一问题进行认真的分析、研究。
一、货车滚动轴承的故障分析
滚动轴承常见的失效形式和原因分析范文
滚动轴承常见的失效形式及原因分析+浪逐风尖2008-11-05 10:55滚动轴承在使用过程中,由于很多原因造成其性能指标达不到使用要求时就产生了失效或损坏.常见的失效形式有疲劳剥落、磨损、塑性变形、腐蚀、烧伤、电腐蚀、保持架损坏等。
一，疲劳剥落疲劳有许多类型，对于滚动轴承来说主要是指接触疲劳。
滚动轴承套圈各滚动体表面在接触应力的反复作用下，其滚动表面金属从金属基体呈点状或片状剥落下来的现象称为疲劳剥落。
点蚀也是由于材料疲劳引起一种疲劳现象，但形状尺寸很小，点蚀扩展后将形成疲劳剥落。
疲劳剥落的形态特征一般具有一定的深度和面积，使滚动表面呈凹凸不平的鳞状，有尖锐的沟角．通常呈显疲劳扩展特征的海滩装纹路．产生部位主要出现在套圈和滚动体的滚动表面．轴承疲劳失效的机理很复杂，也出现了多种分析理论，如最大静态剪应力理论、最大动态剪应力理论、切向力理论、表面微小裂纹理论、油膜剥落理论、沟道表面弯曲理论、热应力理论等。
这些理论中没有一个理论能够全面解释疲劳的各种现象，只能对其中的部分现象作出解释。
目前对疲劳失效机理比较统一的观点有：1、次表面起源型次表面起源型认为轴承在滚动接触部位形成油膜的条件下运转时，滚动表面是以内部（次表面）为起源产生的疲劳剥落。
2、表面起源型表面起源型认为轴承在滚动接触部位未形成油膜或在边界润滑状态下运转时，滚动表面是以表面为起源产生的疲劳剥落。
3、工程模型工程模型认为在一般工作条件下，轴承的疲劳是次表面起源型和表面起源型共同作用的结果。
疲劳产生的原因错综复杂，影响因素也很多，有与轴承制造有关的因素，如产品设计、材料选用、制造工艺和制造质量等；也有与轴承使用有关的因素，如轴承选型、安装、配合、润滑、密封、维护等。
具体因素如下：A、制造因素1、产品结构设计的影响产品的结构设计是根据使用性能目标值来确定的，这些目标值如载荷容量、寿命、精度、可靠性、振动、磨损、摩擦力矩等。
在设计时，由于各种原因，会造成产品设计与使用的不适用或脱节，甚至偏离了目标值，这种情况很容易造成产品的早期失效。
汽车轮毂轴承径向突然断裂的原因分析与对策
交 通 科 技２０１１年７ 月 ＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ ＆ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＪｕｌ．２０１０汽车轮毂轴承径向突然断裂的原因分析与对策王立军１ 程林清２（１．中石化管道储运公司仪长输油处 武汉 ４３００７７；２．天津港实华原油码头有限公司 天津 ３００４５２） 摘 要 分析了汽车轮毂轴承径向突然断裂的原因，提出了汽车轮毂轴承径向突然断裂的预防措施和对策，并阐述了轮毂轴承技术及发展趋势。
关键词 汽车 轮毂轴承 断裂 原因分析 对策汽车轮毂轴承的主要作用是承重和为轮毂的转动提供精确引导，它既承受轴向载荷又承受径 向载荷，是一个非常重要的零部件。
表２ 内、外圈沟道表面粗糙度检测结果样品内圈表面粗糙度／μｍ 外圈表面粗糙度／μｍ １ ２ ３ ２．９６２．６７ ２．９３ ５．１９４．８８ ４．６７ 第一代汽车轮毂轴承径向突然断裂的原因分析 １ １ ２３．１２ ３．４６５．８５ ５．３４第二代轴承本身评判指标的分析（１）轴承组件硬度分析。
从断裂中随意取出 ５ 件样品，分别是３ 件第一代轴承，２ 件第二代轴 承进行硬度分析，见表１。
１．１ （４）沟道沟心距分析。
沟道沟心距在轴承设 计时的要求是非常严格的，在设计时，公差一般要 求不大于０．０３ ｍｍ。
在轴承运转过程中，沟道沟 心距过大或过小都会对局部沟道产生切向应力， 使得轴承的断裂损伤速度加快。
这里所研究的５ 件样品其沟道沟心距都在公差的范围内。
表１ 轴承组件硬度分析样品内圈／ＨＲＣ 钢球／ＨＲＣ 外圈／ＨＶ１０１６１．２ ６３．７ ７６８ 润滑状况对轴承断裂的影响（１）轴承密封圈与密封圈座的配合。
一般情 况下，接触式合金骨架和橡胶双层结构在汽车轮毂轴承的密封圈设计中被应用。
为了防止润滑脂外泄，内层密封圈横截面与密封圈座紧配合；为了 防止外界水汽及异物侵入轴承中，外层密封圈与 密封圈座、轴承内圈紧配合。
此种设计有双层密 封功能，可以有效地保护轴承体内的油脂，此设计 较为合理。
滚动轴承常见的失效形式及原因
滚动轴承常见的失效形式及原因分析滚动轴承在使用过程中由于很多原因造成其性能指标达不到使用要求时就产生了失效或损坏.常见的失效形式有疲劳剥落、磨损、塑性变形、腐蚀、烧伤、电腐蚀、保持架损坏等。
一，疲劳剥落疲劳有许多类型，对于滚动轴承来说主要是指接触疲劳。
滚动轴承套圈各滚动体表面在接触应力的反复作用下，其滚动表面金属从金属基体呈点状或片状剥落下来的现象称为疲劳剥落。
点蚀也是由于材料疲劳引起一种疲劳现象，但形状尺寸很小，点蚀扩展后将形成疲劳剥落。
疲劳剥落的形态特征一般具有一定的深度和面积，使滚动表面呈凹凸不平的鳞状，有尖锐的沟角．通常呈显疲劳扩展特征的海滩装纹路．产生部位主要出现在套圈和滚动体的滚动表面．轴承疲劳失效的机理很复杂，也出现了多种分析理论，如最大静态剪应力理论、最大动态剪应力理论、切向力理论、表面微小裂纹理论、油膜剥落理论、沟道表面弯曲理论、热应力理论等。
这些理论中没有一个理论能够全面解释疲劳的各种现象，只能对其中的部分现象作出解释。
目前对疲劳失效机理比较统一的观点有：1、次表面起源型次表面起源型认为轴承在滚动接触部位形成油膜的条件下运转时，滚动表面是以内部（次表面）为起源产生的疲劳剥落。
2、表面起源型表面起源型认为轴承在滚动接触部位未形成油膜或在边界润滑状态下运转时，滚动表面是以表面为起源产生的疲劳剥落。
3、工程模型工程模型认为在一般工作条件下，轴承的疲劳是次表面起源型和表面起源型共同作用的结果。
疲劳产生的原因错综复杂，影响因素也很多，有与轴承制造有关的因素，如产品设计、材料选用、制造工艺和制造质量等；也有与轴承使用有关的因素，如轴承选型、安装、配合、润滑、密封、维护等。
具体因素如下：A、制造因素1、产品结构设计的影响：产品的结构设计是根据使用性能目标值来确定的，这些目标值如载荷容量、寿命、精度、可靠性、振动、磨损、摩擦力矩等。
在设计时，由于各种原因，会造成产品设计与使用的不适用或脱节，甚至偏离了目标值，这种情况很容易造成产品的早期失效。
车用滚动轴承失效原因分析及使用维护
2017年第4期农机使 用与维 修63车用滚动轴承失效原因分析及使用维护王春凤(阿勒泰地区青河县阿热勒乡农机站，新疆青河836200)摘要：车上滚动轴承用得较多，分布较广，出现的问题也较多，是维护的重点。
对车用滚动轴承失效原因进行了分析，提出了使用维护方法。
关键词：滚动轴承;失效原因；农用车;拖拉机中图分类号:TH 133.33 文献标识码:A doi ： 10.14031 /j . cnki . njwx .2017.04.057滚动轴承在农用车、拖拉机上使用很广，主要用来支承旋 转轴,精度要求较高，其技术状况直接影响车辆的使用性能。
滚动轴承损坏失效后，不仅影响其使用性能,不利于正常运 转，而且破坏相关零件之间的正常装配关系，加剧相关零件的 磨损，车辆就会产生噪声或使有关机件工作失常，进而影响正常使用和行车安全。
如何延长轴承的使用寿命，是一个很有研究价值的问题。
轴承过早磨损和损坏，是由于使用和修理不当造成的，应引起有关人员的重视。
1滚动轴承损坏的一般性原因(1) 装配调整不当。
所有轴承产品技术条件中均有“游 隙”的规定，这是轴承正常运行保证润滑所必须的轴向（或径 向）间隙;但在安装调整时，这个间隙往往被忽视，造成间隙过 小或无间隙，使滚子与滚道之间无法形成润滑油膜，形成干摩 擦、发热，局部高温引起塑变,致使轴承烧结。
另外，装配时的不清洁，拆卸工具没有清洗干净等因素会将磨料粒子带人，引起轴承异常磨损。
(2) 润滑不良。
车用滚动轴承对润滑脂的型号有特殊要 求，维修时要按要求选用。
加注润滑脂时，要求润滑脂充满轴 承内外圈保持架及滚子之间的空隙。
如果仅在轴承表面上手工抹上薄薄一层油脂(轮毂腔内充满油脂不起润滑作用），即使装配间隙调整达到技术标准，车辆运行一段时间，滚子与滚道之间同样会出现干摩擦，引起轴承烧结。
(3) 轴承本身质量问题。
滚动轴承是一个组合件，由内圈、外圈、滚动体和保持架四部分组成。
如果零件材质不达 标、热处理不规范、装配调整不当、内外滚道锥角不配套等，都会影响轴承的使用寿命，都会引起轴承早期损坏。
滚动轴承常见的失效形式及原因
滚动轴承常见的失效形式及原因滚动轴承常见的失效形式及原因分析滚动轴承在使用过程中由于很多原因造成其性能指标达不到使用要求时就产生了失效或损坏.常见的失效形式有疲劳剥落、磨损、塑性变形、腐蚀、烧伤、电腐蚀、保持架损坏等。
疲劳有许多类型，对于滚动轴承来说主要是指接触疲劳。
滚动轴承套圈各滚动体表面在接触应力的反复作用下，其滚动表面金属从金属基体呈点状或片状剥落下来的现象称为疲劳剥落。
点蚀也是由于材料疲劳引起一种疲劳现象，但形状尺寸很小，点蚀扩展后将形成疲劳剥落。
疲劳剥落的形态特征一般具有一定的深度和面积，使滚动表面呈凹凸不平的鳞状，有尖锐的沟角. 通常呈显疲劳扩展特征的海滩装纹路.产生部位主要岀现在套圈和滚动体的滚动表面.轴承疲劳失效的机理很复杂，也岀现了多种分析理论，如最大静态剪应力理论、最大动态剪应力理论、切向力理论、表面微小裂纹理论、油膜剥落理论、沟道表面弯曲理论、热应力理论等。
这些理论中没有一个理论能够全面解释疲劳的各种现象，只能对其中的部分现象作出解释。
目前对疲劳失效机理比较统一的观点有：次表面起源型认为轴承在滚动接触部位形成油膜的条件下运转时，滚动表面是以内部（次表面）为起源产生的疲劳剥落。
表面起源型认为轴承在滚动接触部位未形成油膜或在边界润滑状态下运转时，滚动表面是以表面为起源产生的疲劳剥落。
工程模型认为在一般工作条件下，轴承的疲劳是次表面起源型和表面起源型共同作用的结果。
疲劳产生的原因错综复杂，影响因素也很多，有与轴承制造有关的因素，如产品设计、材料选用、制造工艺和制造质量等；也有与轴承使用有关的因素，如轴承选型、安装、配合、润滑、密封、维护等。
具■体因素如下：A制造因素|1 、产品结构设计的影响：产品的结构设计是根据使用性能目标值来确定的，这些目标值如载荷容量、寿命、精度、可靠性、振动、磨损、摩擦力矩等。
在设计时，由于各种原因，会造成产品设计与使用的不适用或脱节，甚至偏离了目标值，这种情况很容易造成产品的早期失效。
汽车轮毂轴承的两类剥落失效分析
第29卷第5期 中国矿业大学学报 V o l .29 N o .52000年9月 Jou rnal of Ch ina U n iversity of M in ing &T echno logy Sep .2000文章编号:100021964(2000)0520532204汽车轮毂轴承的两类剥落失效分析张雪萍,姚振强,俞亚波,王成焘(上海交通大学机械工程学院,上海 200030)摘要:通过对600套失效汽车轮毂轴承宏观特征分析统计和SE M 研究发现,汽车轮毂轴承的表面剥落有两种典型形式,一种为轴向扩展性片状剥落;另一种为周向等间距条状剥落.结合汽车轮毂轴承的结构特点及其在汽车运行过程中的动力学特征,提出了这两种表面失效的机理模型.认为轴承工作游隙过大是造成汽车轮毂轴承轴向扩展性片状剥落的主要原因;而运转过程中的微动损伤以及运转过程中的轴向冲击是造成周向等间距条状剥落的主要原因.优化轴承游隙并对滚动体进行合理鼓形修正可以减少轴向扩展性片状剥落;增强横向减振能力并减小轴承轴向游隙可以降低周向等间距条状剥落.关键词:轮毂承;剥落;游隙;微动磨损;轴向冲击中图分类号:U 463.2;TH 117.1 文献标识码:A 汽车轮毂轴承是汽车的关键零部件之一,它影响汽车行驶系统以及整车的安全性.分析轮毂轴承的失效机理对提高轮毂轴承的寿命、减少维修次数和增强整车的可靠性具有重要意义.汽车在运行过程中,轮胎与地面的作用使车轮既承受径向力又承受轴向力的作用.轮毂轴承组除受到上述两力外,还受到轴向力产生的弯矩作用.因而,汽车轮毂轴承大都采用成对使用的向心推力轴承.中国汽车轮毂轴承的早期失效率偏高,例如1996年汽车轮毂轴承综赔费用总计达人民币7000万元1为探究汽车轮毂轴承的失效特征和机理,本文对国内外9种约600套失效汽车轮毂轴承(汽车行程范围10～176km ,平均行程5～7万km ,轴承平均失效转数为18.5×106～25.9×106转)进行了失效分析1结果发现汽车轮毂轴承具有擦伤、磨损、腐蚀小坑以及滚动体断裂等多种失效形式,其中轴承滚动接触表现诱发型失效是最重要的失效形式,且以内外圈滚道表面及滚动体表面剥落所占比例为最高1轮毂轴承表面剥落失效具有两种形式.一种为轴向扩展性片状剥落;另一种是周向等间距条状剥落;本文将具体探讨这两类典型疲劳剥落的失效机理,以探求降低疲劳剥落的措施与对策.1 轮毂轴承两类剥落失效特性1.1 第一类剥落第一类剥落的宏观特征如图1,2所示.图1为前轮轴承的外圈滚道表面,图2为后轮轴承的内圈滚道表面.后轮轴承的内圈和前轮轴承的外圈都装配在汽车底盘上,在车轮运转时,两者都不发生宏观转动.由图1,2可见,剥落带在轴承周向呈一局部剥落,在轴承轴向从大端向小端扩展,形成连续片状剥落;同时,散布有麻点.第一类剥落的SE M图1 第一类疲劳剥落(前轮轴承外圈滚道)F ig .1 T he first type of flak ing failu re (at cup ’s racew ay fo r the fron t w heel bearings )收稿日期:20000121基金项目:上海市汽车工业科技发展基金(199821199A )作者简介:张雪萍(19722),女,河南省平顶山市人,上海交通大学机械工程学院博士研究生,从事传动机械系统失效机理研究.形貌如图3所示,剥落表现为层状扩展.一般地,在剥落区的表面下,有微裂纹萌生和扩展.这种剥落即是经常被提到的正常疲劳剥落[1].图2 第一类疲劳剥落(后轮轴承内圈滚道)F ig .2 T he first type of flak ing failu re (at cone ’s racew ay fo r the rear w heel bearings )图3 第一类疲劳剥落的SE MF ig .3 SE M fo r the first type flaking failu re1.2 第二类剥落第二类剥落特征如图4,5所示.图4为前轮轴承的外圈;图5为后轮轴承的内圈.在汽车运行过程中,两者都不发生宏观周向转动.可以看到在滚道表面周向等间距分布着条状剥落条纹.剥落条纹轴向长度与滚动体的长度接近.按照剥落条纹周向的分布范围,条状剥落可以分为两种方式,第1种为整周均布,称为A 型剥落条纹;第2种则分布在滚道某一弧长范围,称为B 型剥落条纹.按照剥落条纹周向分布密度,剥落条纹可以分为两种形式,图4 第二类疲劳剥落(前轮轴承外圈滚道)F ig .4 T he second type of flak ing failu re (at cup ’s racew ay fo r the fron tw heel bearings )图5 第二类疲劳剥落(后轮轴承内圈滚道)F ig .5 T he second type of flak ing failu re (at cone ’s racew ay fo r the rear w heel bearings )第1种,剥落条纹间距与滚动体间距相同;第2种,剥落条纹间距为滚动体间距的1 N (N 为大于1的正整数).第二类剥落的SE M 形貌如图6所示.微观上,可以观察到疲劳剥落带有粘着、撕裂和碾压的痕迹.图6 第二类疲劳剥落SE MF ig .6 SE M fo r the second type flak ing falu lu re2 剥落失效原因分析2.1 第一类剥落失效分析汽车轮毂轴承一般采用O 型(背对背)配置方式,圆锥滚子的大端在外.在汽车行驶过程中,车轮轴承要同时承受径向载荷(载重)和轴向载荷(惯性附加横向力);由于车轮半径的影响,轮毂轴承又要承受车轮与地面横向力的弯矩作用.在工作游隙不为零的情况下,弯矩的作用,将使滚动体大端与滚道表面优先发生局部接触,使滚动体及内外圈滚道承受过大的接触应力.在过大赫兹应力作用下,滚动体与滚道在接触表面下形成裂纹扩展,发展至接触表面后剥落.大端剥落发生后,滚动体与滚道的优先局部接触点沿轴向向小端内移,从而导致了剥落由大端向小端的扩展.另一方面,在滚道表面出现剥落后,当滚动体滚过剥落区域边缘时,由于应335第5期 张雪萍等:汽车轮毂轴承的两类剥落失效分析 力集中将导致剥落区域沿周向的进一步扩展.这样,就形成了车轮轴承的第一类剥落.2.2 第二类剥落失效分析第二类剥落的共同特征是剥落条纹在轴承滚道周向等间距分布.但是,A型剥落条纹和B型剥落条纹的形成机理不同,下面将分别探讨这两种类型剥落条纹的形成机理.2.2.1 A型剥落条纹的轴向冲击机理A型剥落条纹分布在轴承滚道整周,即剥落条纹不是局限于轴承的径向承载区域.这说明:1)径向载荷不是导致A型剥落条纹发生的主要原因;2)轴向载荷是A型剥落条纹发生的必备条件;3) A型剥落条纹一定产生于汽车运行工作过程中.基于以上分析,本文提出了A型剥落条纹的轴向载荷冲击机理.该机理包括:1)轴承的内部及轴承与座孔的轴向配合面间存在游隙(无轴向预紧或轴向预紧不够);2)运行中的汽车转向和摆动提供轴向惯性力即轴向载荷.因此,汽车运行中的轮毂轴承在不断的轴向冲击载荷(轴向振动)作用下,滚道周向在与滚动体对应的位置形成微裂纹并继续扩展.轴承滚道圈向剥落条纹的密度反证了该模型的合理性1当轴承外圈相对于内圈转动的频率与轴向载荷冲击频率相等或成整倍数时,剥落条纹密度小到Z条(Z是滚动体个数),A型剥落条纹程度最严重;当外圈相对于内圈转动的频率与轴向载荷冲击频率不成整倍数时,剥落条纹密度大,剥落程度较轻.2.2.2 B型剥落条纹的微动磨损机理B型剥落条纹分布于轴承的局部周向(即径向承载区)滚道上,剥落条纹的间距与滚动体间距相对应.这说明:1)径向载荷是B型剥落条纹发生的必要条件;2)径向承载区的滚动体在与滚道的轴向接触线(小面积)上发生了反复微小的滑动,造成疲劳剥落;3)B型剥落条纹应该产生于汽车的被动运输过程中,如船运或铁路运输.对被动运输汽车做终点检测时,发现从没有运行过的汽车轮毂轴承表面已有B型微小损伤1滚动体与其微动磨损模型如图7所示.在运输过程中,有人常常认为径向微动(冲击微动)应该比轴向微动(冲击微动)更易发生.事实上,因为汽车的径向减振比轴向减振好,轴向微动更容易发生.在汽车的被动运输过程中,路面不平度可以引起车轮轴承在接触点附近的微幅振动会产生微小的损伤条.助张了轮毂轴承后续主动行驶过程中失效几率和程度.图7 车轮轴承微动磨损模型F ig.7 F retting model fo r w heel bearings当汽车主动行驶时,原有的损伤条的微凸体粘着点的不断剪断以及新粘着点的重新粘结,该过程反复进行,将导致轮毂轴承滚道表面条型微动裂纹以及条形剥落的形成.并且,滚动体与条形剥落边缘的接触所引起的应力集中,将导致条形剥落沿周向扩宽.3 降低剥落失效的对策与措施本文分别从汽车车轮轴承两类疲劳剥落形成的不同机理,具体探讨降低疲劳剥落失效的对策.3.1 降低第一类剥落失效的措施第一类剥落失效是典型的接触疲劳失效[1].提高轴承寿命(即延长轴承循环次数)的有效途径是降低滚动体载荷.具体方法可利用数字技术(如大型的有限元和优化软件),通过对车轮轴承系统的整体动态优化设计实现1通过轮毂轴承的参数优化,一方面可使轴承的工作游隙接近于零,使负荷区的承载滚子数目增加;另一方面,使滚动体受载均匀,即通过对滚动体进行适当母线修正,避免滚动体端部与滚道接触产生过大应力,对数母线修正可以从理论上使得滚子接触压力经向呈半椭圆分布而轴向呈均匀分布,目前SKF公司拥有这方面的技术实力.3.2 降低第二类剥落失效的措施3.2.1 抗微动磨损对策微动磨损是同时涉及到粘着、磨粒、氧化和疲劳4种磨损机理的一种特殊磨损[2～4].如何有效减少甚至消除微动磨损一直是微动磨损领域的研究热点之一.各专家学者从不同角度提出了抗微动的观点和措施[5,6].从微动磨损形成的根本起因,可将抗微动磨损技术概括为3个方面:1)使产生微动的两个接触表面完全分离(如磁悬浮轴承);2)完全消除或减少两接触面的相对运动(如使载荷增加到足够大);3)选择有良好抗微动磨损的材料(如摩擦副表面镀抗微动层,润滑脂中加入抗微动添加剂).本文将结合车轮轴承的特点,提出车轮轴承抗微动摩擦的有效途径.435 中国矿业大学学报 第29卷轮毂轴承微动磨损存在的必要条件包括:轴承的径向载荷、滚动体与最大滚道接触处的微小振动.所以减少微动磨损的措施有:1)尽量减少轴承的游隙,降低单个滚动体的载荷,这可以通过轴承预紧等方法实现;2)轮毂轴承内部及其安装的润滑脂中添加抗微动磨损的极压添加剂;3)运输过程中使车轮旋转,可以使滚动体与滚道的接触区域改变,从而有效减弱车轮轴承的微动磨损;4)轮毂轴承的表面镀抗微动磨损材料;5)增强运输过程中的减振,缩小微动的幅值,将有效降低微动磨损.3.2.2 轴向冲击载荷对策根据轴向冲击形成的机理,降低B 型剥落的有效措施有:1)增强汽车运行过程中的横向减振能力,减轻轴向的冲击载荷.例如在轴向增加弹簧垫片;2)尽量减少轴承的轴向游隙,降低轴向冲击的幅度.这可以通过轴承装配过程的选配轴向垫圈厚度来实现14 结束语1)表面诱发型疲劳失效是轮毂轴承的主要失效形式.2)轮毂轴承的表面失效有两种主要的失效类型:一种是接触疲劳造成的延续剥落;另一种是微动与冲击造成的等间距条状剥落.3)降低第一种剥落的主要措施是通过轴承系统的动态参数优化设计,使轴承工作游隙尽量接近于零,增加承载的滚动体数目;通过滚动体的鼓形修正,使滚动体载荷尽可能均匀分布.降低第二种剥落的有效途径是减低汽车被动运输中的微动裂纹,在车轮轴承中添加极压添加剂、增强横向减振措施、避免轴向过载冲击.参考文献:[1] 万长森1滚动轴承的分析方法[M ].北京:机械工业出版社,1985.1482150.[2] 何明鉴1机械构件的微动疲劳[M ].北京:国防工业出版社,1994.729.[3] 邵荷生1摩擦与磨损[M ].北京:机械工业出版社,1993.3442369.[4] M ervin H ,Jones ,Douglas Sco tt .Indu staial tribo lo 2gy [M ].Am erica ,N ew Yo rk :E lsevier Scien tific Pub lish ing Company ,1983.18219.[5] Zhou Z R .Grease lub ricati on in fretting [J ].Jou rnalof T ribo logy ,1998,120(4):7372742.[6] L eheup E R .F retting w ear of sin tered iron underlow no rm al p ressu re [J ].W ear ,1998,221:86293.Investigati on on Tw o T yp icalF lak ing Failu res of A u tom ob ile W heel BearingsZHAN G Xue 2p ing ,YAO Zhen 2qiang ,YU Ya 2bo ,W AN G Cheng 2tao(Schoo l of M echan ical Engineering ,Shanghai J iao Tong U n iversity ,Shanghai 200030,Ch ina )Abstract :B ased on m acro 2ob servati on and m icro 2SE M analysis of the 600sets of failu re bearings tw o typ ical flak ing failu res w ere revealed in au tom ob ile w heel bearings .T he first typ e of flak ing takes p lace at the racew ay near cone back face o r cup fron t face ,and develop s along the ax ial directi on .T he o ther typ e of flak ing distribu tes equally along circum ference in grid fo rm .Con sidering the characteristics of the au tom ob ile w heel hub bearings and its dynam ics du ring runn ing ,tw o related m echan is m m odels w ere develop ed .Too large w o rk ing clearance shou ld accoun t fo r the first typ e of flak ing failu re ,and fretting w ear du ring tran spo rtati on and ax ial i m p acting du ring runn ing shou ld be respon sib le fo r the sec 2ond typ e of flak ing failu re .In o rder to reduce au tom ob ile bearing flak ing ,it is suggested to op ti m izebearing clearance and ro ller p rofile and to dam p ax ial vib rati on .Key words :w heel bearing ;flak ing ;clearance ;fretting w ear ;ax ial i m p act535第5期 张雪萍等:汽车轮毂轴承的两类剥落失效分析 。
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汽车轮毂轴承失效模式与分析方法摘要：汽车轮穀轴承开发阶段需要进行多种性能试軽，通过轮毂轴承失效的案例，分析轴承早期失效模式，找出其根本原因，验证产品设计合理与否。
针对这些失效模式，归纳梳理了轮毂轴承失效分析的系列方法，为深入研究轮穀轴承的失效机理，改善产品质量提供参考。
关键词：轮殺轴承；性能试轻；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 vai'ious performance tests .The initial failure mode for bearings is an alyzed through failure case of hub bearings, and the root cause is found out to verify the rationality of product design・Aiming at these fai Lure modes♦ a series method for fai lure analysis of hub bearings is summarized, which provides a reference for in-depth study of fai lure mechanism for hub bearings and improvement of product quality.Key words： hub bearing； performance test； failure mode； analysis method；0引言轿车轮毂轴承是汽车底盘上的一个重要组件，其是否能够平稳可靠地运转直接关系到行车的安全。
普通轴承失效模式识别和分析方法的研究已有相关学者做过大量的工作tl'，］o而轮毂轴承的失效分析起步较晚，近年来随着汽车工业的迅猛发展而逐渐受到重视。
文献［5］对轮毅轴承载荷谱和失效机理做了深入探索。
文献［6-7］分别就轮毂轴承的失效分析步骤及其对策与诊断方法进行了研究。
由于轮毂轴承失效模式多种多样，且相关研究工作存在一定的局限性，故在轮毅轴承开发阶段就需要进行各种性能试验，通过早期失效分析，找出其失效原因，为改善轮较轴承的品质提供参考。
1性能试验围轮毂轴承开发验证的台架试验包括：一般耐久性试验、高速耐久性试验、疲劳强度试验、密封试验、刚性试验、动摩擦试验及冲击试验等。
设计的样品只有顺利通过台架试验，才能在主机厂所指定的路试场进行道路试验。
道路试验综合了台架试验的各种考评项目，能够真实反映实际工况。
不同的主机厂有各自的台架试验和道路试验规，并明确了评判标准。
当试验样品没有达到试验规或标准的相关要求时，认为样品发生了早期失效，该样品便属于失效分析的对象，需查找出失效的原因。
2失效模式根据国、外著名轴承厂商，如轴研科技，万向精工，SKF, FAG, NSK及NTN等的统计, 轮毂轴承早期失效模式有腐蚀、压痕、烧伤、裂纹和剥落等多种，现大致归纳如图1所示⑷。
通过大量失效分析工作的统计发现，同一种失效模式可能是由不同的单一原因引起的，也可能是由各种原因综合作用的结果，因此，为分析轮毅轴承的失效机理，需要具备较全面的分析手段。
<8）片状集中创落（b）煨伤（C）成铁离收利落（d）丿I渝（e）廣边⑴住镌（g）润滑脂直Mi （h） Sti ⑴冲帀拗伤轮鍛柚承•般失效模式3失效分析过程开发阶段轮毂轴承的早期失效，即图1所示的各种失效模式通常来源于5个方面：（1）产品设计不合理；（2）工艺过程未能保证设计要求；（3）试验设备不稳定；（4）轴承安装不当；（5）工作载荷过大，超出产品承受能力。
针对这些方面，一般的分析过程如下。
3.1原始信息收集当失效轴承被委托给分析室进行分析时，非常重要的一环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：设计图纸、工艺图纸、车型参数、试验规、试验设备、工装信息、失效时试验员所做的轴承异常运转情况记录及失效样品原始检测报告。
其中失效样品原始检测报告应包括轮毅轴承组件中各零件（外圈、圈、钢球、密封圈、保持架和润滑脂）的材质报告和相关尺寸检测报告、装配件的相关检测结果等。
由于失效件的原始状态已经受到极大破坏，故原始信息的收集对分析者非常重要，可以说收集信息的完备性决定着分析结果的准确性。
3. 2设计确认设计确认的目的在于以现行轮毅轴承行业的水准来评判轴承设计的合理性。
为完成产品的设计确认，分析者需要对轮毂轴承设计理论⑻有一定深度的了解，并能够运用一些辅助工具，如数学计算方法、小程序编译，相关辅助软件MATALAB, ANSYS, ABAQUS及MSC. FATIGUE 等；根据所提供的设计图纸和试验载荷谱信息⑼，对产品设计工程师所完成的设计进行确认。
需要确认的项目包括：负游隙、靜强度、刚性、滚道疲劳寿命、滚道宿边高、接触应力、疲劳强度和密封结构等。
由于目前广泛应用的第1代、第2代和第3代轮毂轴承结构大不相同，故在设计确认上也会存在一定的差异。
第I代、第2代和第3代轮毂轴承的装车差异如图2所示。
相比于第1代，集成程度较高的第2代和第3代轴承存在与凸缘心轴及转向节的配合，由于其通过锁紧螺母进行预紧，因此会影响到最终的装车游隙。
游隙的设计应以最终装车状态的游隙作为目标，通常装车状态的理想游隙为-0.03 0.06 mm。
(a)第H弋(b)痢2代(c)第讯图2 1代轮辍轴承装配圣异(游隙形响方式垦异)以带凸缘的第2代或第3代轮毂轴承为例，有些确认项是相互矛盾的。
在客户要求轮毂轴承质量控制在某一特定量的前提下，需要在滚道疲劳寿命与所需强度间进行有效的平衡。
通过增大钢球尺寸提高额定动载荷来强化滚道疲劳寿命就会降低轴承的强度，此时，应把轴承强度放在首位考虑，其属于关乎安全性的重要项目。
3.3工艺过程确认在确定产品无设计缺陷后，需要以设计图纸和企业规作为评价标准进行工艺过程确认，以明确设计是否得到保证。
对于轴承制造商而言，轮毂轴承套圈林料、密封圈和保持架一般为外购件，套圈较关键的终加工工艺则由轴承制造商完成。
工艺过程确认主要以相关检测报告为基础，根据检测报告逐一核实是否达到设计要求。
需要核实的项目主要有：(1)原材料信息。
所提供的钢材一般为热轧状态，需要对材料的元素成分、氧含量、非金属夹杂物、晶粒度及力学性能做岀核实。
(2)热处理信息。
原材料在加工过程中进行的相关热处理，如正火和淬火，需要核实其基体和滚道的组织、硬度(梯度)及锻造流线是否满足要求。
(3)成品零件尺寸。
包括滚道沟曲率半径、沟径、沟间距、圆度、轮廓度、表面組糙度、密封口径及其圆度、密封圈各唇口配合直径、唇口结构尺寸、滚道挡边高度和重要外轮廓尺寸等的核实。
(4)外购件特性。
查看外购件的检测报告，确认其是否满足使用要求。
如密封圈的材质、拉伸特性、硬度，润滑脂的九大性能指标---------------------------- 黏度、高低温性能、极压性与抗磨性、抗水性、防腐性、胶体安定性、氧化安定性和机核安定性向。
(5)装配件检测结果。
装配件的游隙和凸缘跳动均会对轴承滚道寿命产生较大彩响；装配件压装密封圈的平行差会影响到产品的密封性能，故均需要核实其是否满足设计要求。
在设计得到确认、失效样品原始状态的工艺信息核实无误及试验过程状态明确的前提下，基本能够推断出轮毂轴承是否具备通过各项性能试验的能力。
3. 4分析流程分析者接到失效件后，需要对失效件做相应的处理，从失效件的失效模式和损伤痕迹，并结合设计及工艺过程明确失效的原因。
失效件在试验前的原始状态通过收集的数据得到分析后，对试验失效件也要进行一些辅助检测，旨在对比试验前、后及设计标准之间的差异程度。
如果有差异，还需确定差异是否在可接受围；如果某项指标不在经验值围，则应作为失效的关注点有所侧重失效轴承检查分析流程和所用仪器见表1。
根据国家标准、行业标准或企业标准进行相关检测。
针对某型号轮毂轴承进行的失效分析项目，即表1中的实施项目并非全部为必须的, 而是需要根据逐步的观察、分析确定。
有些失效原因能够较早、较容易被发现，而有些则较复杂，隐藏较深，基本要经历整个过程才能够发现。
了解描承与JS 用件的接触倚况 t«fit 滾道存ffl 的脳址・了IWJBJft 状恋•迭舎右M 脂4分析案例以M 型轮毂轴承为例，安装于路试车辆上进行道路试验。
车辆行驶64 000 km （要求100 000km ）后左前轮出现异常芦。
经拆套发现：外圈滚道外侧剥落，润滑脂变成棕黄色。
按照 上述流程逐步检测排查，最终确定为轴承密封失效。
轴承密封失效分析的主要信息如下。
4.1润滑脂含水率按照卡尔费休法对提取的润滑脂含水率进行检测，发现其含水率严重超标，检测结果见 表2。
衣2含水率检测结果!< .% 枕沁位优姿占柿准值 实河備 内側 <1 外侧<1 7.610. I 4.2沟道剥落通过观察轴承沟道情况（图3）发现，的确是轴承密封发生了失效，导致泥水侵入轴承中，引起轴承润滑不良，最终导致沟道产生早期剥落。
外观峻竇.记录两次羽:蛍 也淸数阿和机和笔记 祢直仪或大平冷縄夫徭件的込配悄说•与试曾状态及踐汁姿求做 对比分桁川钳装配件萦体fl 淡足否恶化 总力仪•（负 >蔚垃擦割仪、披劝歿馔分曲仪、跳动檢《«仪、高皮仪及检测工装或察来逍润涓脂口越対杆口的毎対佈;兄・是竹出现 片誥 拆套工装虫丝刀•高侑«［码WEI确定润満船ft 5 m 水A 肚也朵点、於吞猜沽 戏廉廉描的来谥、确定失效彤天 卡•尔费休色水率盘am 佃・红外先谱仪・ 征假仪、出失贞仅及过池淤《?活洗汽油、忘卅刼码和机、傩夜燈孚件尺寸伽 挥伤•切割取样 松濒各实歿多件・并打试助曲"设i 卜炎求效对比・ 明碑尺寸芟化足否捋令至求 检演吝fl tt fift 铁牧•并做好仝相分析准為 住腹仪.ei®j£.»aatt -i*标潮*:仪淸洗剂、探伤刖・也傢剂•线切割设w设讣•工艺分析和检测 设讣硯认・工艺确认和金相分析・金相分析包拈淹 线、蚀皮〈榜皮〉、乍佥14央朵、俎织、M 鉉皮和除口分 析•巒对IS 岸攥酹穀箭况磁嵌机・51廐帆•俯虧机•地光机、济氏硕哎 i仁滚氏硬皮讣上氏便皮计、怨決辿、金相W 微饥、电（4i«U ■丄只£微燈 10 汇总提収出勺仪计、工艺戍丄况有关的*常点 （a ）的衬脂变欢 （N 内沟逍外曲镌谨M 幼沟适即茁（ci ）外也itt 附饰放人Si4.3密封圈磨损在体视镜下对密封圈进行放大观察，发现外密封圈存在明显的偏磨损情况(图4a和图4b)。