汽车轴承工况分析及润滑脂选用

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汽车轴承工况分析及润滑脂选用

燕化集团天津润滑油脂有限公司(天津市　300480)　吴宝杰　刘庆廉

杭州轴承试验研究中心(浙江杭州　310022)　李兴林

浙江大学(浙江杭州　310027)　周银生

【ABSTRACT】The discussion for operating conditions of hub bearings,auxiliary bearings of elec2 tronic instrument assembly and constant velocity joint bearing has been made.According to each operating condition characteristic and lubrication demand,the lubricating greases matched with operating conditions are selected.

汽车设计制造技术正在飞速发展,其主要目标为:提高乘坐的舒适性和最大程度节省燃料,前者可以采用缩小并密闭发动机室,相对扩大乘坐空间,降低噪声对室内的污染;后者主要通过减轻汽车元部件的重量,优化传动关节及其相关润滑剂。所有上述设计改进都对支持各零部件运转的轴承和关节提出了更高的要求:即运转高速化、环境高温化[1]。汽车轴承由于受空间的限制,多数采用润滑脂润滑,并且其中相当一部分为一次润滑。润滑剂技术间接制约着汽车整体质量的提高,如何满足汽车各部件高速、高温、安全及长寿命运转的要求,是润滑脂专家们所必须面对的。

1　轮毂轴承用润滑脂

目前轮毂轴承可分为圆锥滚子轴承和角接触球轴承,圆锥型轮毂轴承工作状况比较苛刻。汽车直线行驶时,内侧车轮轴承内圈外端向上翘,而拐弯时外侧车轮轴承内圈向下倾斜,这样一来,内外圈之间相互倾斜形成边缘载荷,从而出现应力集中致使早期疲劳剥落现象产生,一般表现为轴承外圈滚道的小头载荷区出现痕带。轴承设计者针对这种情况将滚道及滚动体设计成一定凸度来消除边缘应力集中,但是这时会出现重载荷下中心处应力集中和中轻载荷下滚子引导不充分。另外,轮毂轴承的滚子大端面和轴承内圈大挡边之间有一个滑动的接触区,该区的摩擦形式十分复杂,润滑也十分苛刻[2]。对于双列角接触球轴承,汽车在运行中的转向力将引起典型的内部载荷分布,这种载荷分布由随横向加速度而增加的赫兹压力来确定。汽车轮毂轴承作为汽车的一个非常重要的元件,其润滑技术和轴承本身的不断改进密切相关。轮毂轴承的发展趋势有以下特点。

1.1　单元化

轮毂轴承已经历了四个发展阶段。第一代为普通双列轴承;第二代为单法兰双列轴承;第三代为双法兰双列轴承;第四代为SK F公司推出的轮毂轴承和万向节完全一体化的单元化元件。它们的发展方向体现了结构灵活紧凑、维护方便及小型轻量等设计理念。目前,第五代轮毂轴承正在设计研究开发阶段[3],这对润滑剂提出了更高的要求,单元化的轮毂轴承载荷会更大,温升更高,同时保证单元中各部分具有尽量相同的寿命。

1.2　高速高温化

汽车发动机技术的进步和路面条件的改善使汽车速度的提高成为可能。同载荷下由于高速所产生的动能增量,有很大一部分以热能的形式散发掉。另一方面,ABS刹车盘所产生的摩擦热也是轮毂轴承温度升高的一个主要原因。普通锂基润滑脂在150℃时流失非常严重,润滑剂的泄漏不但会降低润滑剂本身的寿命,而且会对环境和安全形成不利影响。开发高温轮毂润滑脂是当务之急。

1.3　整体密封化

在实际应用中,轮毂轴承的损坏大多是由于外界的污物、水等的进入导致润滑不畅所引起,其中水汽的进入是润滑失败的一个主要原因。另一方面,由于密封不严,润滑剂的泄漏使刹车系统失灵引起的事故也有发生。所以,橡胶的密封性、润滑剂的抗水性、漏失性以及橡胶圈与润滑剂的良好匹配性都是汽车生产者所该重视的。

1.4　低微动磨损化

微动磨损指滚动轴承在非工作状态下受到外部振源的影响,滚动体与套圈的接触处受到冲击或做小振幅的相对摆动,摆动所产生的磨损及冲击时表面能态变化而生成的氧化腐蚀会使接触处形成有粉红色粉末的凹坑现象,有人又称之为假布氏压痕现象。轮毂轴承的微动磨损在汽车的出厂运输过程中发现,有时非常严重。研究表明,改进轮毂轴承的设计对降低微动磨损意义不大,正确选择润滑剂能很好地降低磨损程度。台架试验表明,聚脲和复合锂型润滑剂的抗微动磨损性能优良,在基础油的匹配中,20号航空润滑油应该是首选[4]。

表1为某公司汽车轮毂轴承润滑脂实例[5],数据显示:聚脲润滑脂相对于锂基润滑脂有很多优点,同时可以看出聚脲润滑脂的种类不同相互之间差别很大。

表1　汽车轮毂润滑脂的实例

润　滑　脂防模拟压痕润滑脂

普　通

润滑脂W1W2W3W4

增稠剂脲脲脲锂

基油

种类矿物油矿物油矿物油矿物油重力粘度(100℃)/mm2·s-112161216

稠度60W1)305330280280滴点Π℃242260以上250以上206蒸发量(99℃,22h)Πwt%0.10.50.70.5析油量(100℃,24h)Πwt%0.9 3.8 1.2 3.4氧化稳定性(99℃,22h)

ΠMPa0.0250.020.0150.04混合稳定性105W390363362351耐水性(79℃,1h)Πwt% 1.8 2.6 2.9 1.6泄漏性(104.5℃,6h)Πwt%0.9 2.2 3.4 1.1铜板腐蚀(100℃,24h)1a1a1b1a 模拟压痕浓度2)小小小大

注:用油压伺服或试验机进行激励振动试验,双列球轴承,交变动载荷。

1)G BΠT269试验方法下的60次工作后的锥入度。

2)模拟实际工况条件下的极压痕迹浓度。

2　电器部件、辅助机器轴承用脂在汽车上,电器设备是必不可少的,如交流发电机、启动器、冷气装置用电磁离合器、空转轮风扇等及其他辅助设备大多应用的是密封深沟球轴承,其工作原理大体相同,只是由于各自应用的环境工况不同,致使润滑油的应用出现差别[6]。下面选择典型部件进行叙述。2.1　交流发电机轴承

汽车的轻型化、紧凑化使发电机的体积更小,离发动机更近。同时,随着附属电器的增加,为了确保发电容量,发电机的转速也必须提高,且交流发电机安装位置有泥水侵入的可能。交流发电机轴承多采用密封深沟球轴承,内径为8～17mm,转速为15000～18000rΠmin,最高外圈温度为130℃,寿命在1000～2000h。该部位多选用合成油锂基脂和由聚脲稠化合成油而制成的润滑脂,以满足该部位对长寿命、高转速和抗水性能的要求。

2.2　冷气装置用电磁离合器轴承

离合器轴承中的热量一般由一定压力下高速旋转的摩擦热和高温压缩机辐射而来。该部位多采用非接触橡胶密封的双列角接触向心球轴承,内径一般为30～40mm,转速7000～12000rΠmin,轴承最高温度为130℃左右,要求运转寿命500～1200h,大多选用耐高温的复合锂或聚脲基脂进行润滑。

2.3　空气泵轴承

一台空气泵一般由一套内径35～40mm的密封滚针轴承和一套内径25～30mm的密封深沟球轴承及几套内径为10mm的密封滚针轴承组成。转速为5000～7000rΠmin,温度最高可达130～160℃,要求运转寿命为700～900h甚至更高。高温系列脂应该是这些轴承用脂的首选。如复合锂、聚脲润滑脂,其中应该注意的是,滚针轴承要求润滑脂中不应含有大颗粒的添加剂和一定温度下起动及运转力矩不能太高。

2.4　冷却风扇用液体联轴器轴承

液体联轴器依靠高粘度硅油的粘性阻力来带动冷却风扇的双金属温度感受机构,高粘性硅油的内摩擦力在联轴器工作时放出大量热,使轴承温度高达180℃。所用轴承多为带氯丁橡胶密封的深沟球轴承,内径为20mm,内、外径同方向运转,相对运转速度为5000rΠmin,要求寿命200h,所用润滑脂多为以高粘度硅油为基础油的复合锂,或聚四氟乙烯润滑脂。

2.5　水泵轴连轴承

为了满足简单、紧凑及高载荷的要求,现代水泵轴承设计成以有研磨滚道的实心轴为内圈,两个支承外圈连成一体共同承受皮带轮和泵转子的双列球或滚子结构。该轴承很容易接触以水和乙二醇为组份的冷却液而造成内圈锈蚀。由于受发动机的热辐射和循环冷却液散发热量及本身散热