汽车轮毂轴承失效模式与分析方法

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 Hub

Bearings

Abstract: 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