汽車(chē)軸承的失效模式及預(yù)防

王云偉

【摘 要】汽車(chē)軸承在正確的使用下，可以有很長(zhǎng)的壽命，如果過(guò)早的出現(xiàn)損傷，很可能是選型錯(cuò)誤，使用不當(dāng)、潤(rùn)滑不良、或安裝不當(dāng)造成。在選用軸承時(shí)，要根據(jù)安裝的部位、潤(rùn)滑條件、周?chē)呐浜系葪l件進(jìn)行選擇。通過(guò)研究總結(jié)軸承的故障類(lèi)型，問(wèn)題出現(xiàn)時(shí)的環(huán)境，以避免故障再次發(fā)生。運(yùn)轉(zhuǎn)中無(wú)法直接觀察軸承，但通過(guò)噪聲、振動(dòng)、潤(rùn)滑劑的變化等情況判斷故障。

【關(guān)鍵詞】失效模式；軸承壽命；蠕變；電蝕；氫脆

0.前言

在汽車(chē)的輪轂、變速器、差速器等中均采用了多種軸承，如球軸承、滾針軸承、圓錐滾子軸承、直線軸承、滑動(dòng)軸承等，每輛車(chē)的用量多達(dá)幾十只，近年來(lái)汽車(chē)技術(shù)的高速發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的壓力要求，汽車(chē)的低油耗和汽車(chē)的超長(zhǎng)的質(zhì)保趨勢(shì)，汽車(chē)軸承也面臨著前所未有的輕量化和長(zhǎng)壽命的課題。

軸承壽命，根據(jù)Lundbber和Palmgren的理論，可以計(jì)算出理論壽命。但實(shí)際上在汽車(chē)的使用過(guò)程中，變速器、差速器的潤(rùn)滑油中混入的異物，安裝的方法的選用，以及高速運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的高溫，使得軸承的實(shí)際壽命比理論計(jì)算值要短，因此研究軸承的失效模式，分析形成的因素并加以預(yù)防就尤為重要。

軸承的失效模式和原因分析：

1.軸承的失效模式

1.1剝落

主要表現(xiàn)：軸承在承受旋轉(zhuǎn)載荷時(shí)，內(nèi)圈、外圈的滾道或滾動(dòng)體表面由于滾動(dòng)疲勞而呈現(xiàn)魚(yú)鱗狀的剝離現(xiàn)象。

產(chǎn)生的原因：由于工作表面受到交變應(yīng)力的作用而產(chǎn)生失效，主要發(fā)生在軸承工作表面，往往也伴隨著裂紋，首先從接觸表面以下最大交變切應(yīng)力處產(chǎn)生，然后擴(kuò)展到表面形成不同的剝落形狀，如點(diǎn)狀為點(diǎn)蝕或麻點(diǎn)剝落，剝落成小片狀的稱(chēng)淺層剝落。由于剝落面的逐漸擴(kuò)大，而往往向深層擴(kuò)展，形成深層剝落。

1.2蠕變

在軸承的配合面產(chǎn)生間隙時(shí)，配合面之間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，發(fā)生蠕變的配合面呈現(xiàn)出光亮鏡面或暗面，有時(shí)也伴隨卡傷磨損產(chǎn)生。

軸承的工作表面之間的相對(duì)滑動(dòng)摩擦導(dǎo)致其工作表面金屬不斷磨損而產(chǎn)生的失效。持續(xù)的磨損將引起軸承零件逐漸損壞，并最終導(dǎo)致軸承尺寸精度喪失及其它相關(guān)問(wèn)題。磨損影響到配合間隙增大及工作表面形貌變化，可能造成潤(rùn)滑劑或其污染達(dá)到一定程度而使?jié)櫥δ芡耆珕适?，進(jìn)而使軸承喪失旋轉(zhuǎn)精度甚至不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。磨損失效是各類(lèi)軸承常見(jiàn)的失效模式之一，按磨損形式通?？煞譃樽畛Ｒ?jiàn)的磨粒磨損和粘著磨損。

1.3拉傷

在軸承的工作面和滾動(dòng)體表面的微小燒傷而產(chǎn)生的表面損傷，表現(xiàn)為滑道面、滾道體表面圓周方向的線狀劃痕。

軸承工作表面之間擠入外來(lái)堅(jiān)硬粒子或硬質(zhì)異物或金屬表面的磨屑且接觸表面相對(duì)移動(dòng)而引起的磨損，常在軸承工作表面造成犁溝狀的劃痕。

1.4粘著

是材料從一工作表面轉(zhuǎn)移到另一工作表面，并伴隨著有摩擦發(fā)熱，有時(shí)還伴有表面回火或重新淬火。這一過(guò)程會(huì)在接觸區(qū)產(chǎn)生局部應(yīng)力集中并可能導(dǎo)致開(kāi)裂或剝落。

由于工作面的顯微凸起或異物使工作面受力不均，在潤(rùn)滑嚴(yán)重惡化時(shí)，因局部摩擦生熱，易造成工作面局部變形和摩擦顯微焊合現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)工作面金屬可能局部熔化，接觸面上作用力將局部摩擦焊接點(diǎn)從基體上撕裂而增大塑性變形。這種粘著——撕裂——粘著的循環(huán)過(guò)程，輕微的粘著磨損稱(chēng)為擦傷，嚴(yán)重的粘著磨損稱(chēng)為咬合。

1.5斷裂

軸承套圈斷裂失效一般較少見(jiàn)，往往是突發(fā)性過(guò)載造成。軸承斷裂失效主要原因是缺陷與過(guò)載兩大因素，如軸承的原材料缺陷（氣泡、縮孔）、鍛造缺陷（過(guò)燒）、熱處理缺陷（過(guò)熱）、加工缺陷（局部燒傷或表面微裂紋）、主機(jī)缺陷（安裝不良、潤(rùn)滑貧乏）等。當(dāng)外加載荷超過(guò)材料強(qiáng)度極限而造成零件斷裂稱(chēng)為過(guò)載斷裂，一旦受過(guò)載沖擊負(fù)荷或劇烈振動(dòng)均有可能使套圈斷裂。但一般來(lái)說(shuō)，通常出現(xiàn)的軸承斷裂失效大多數(shù)為過(guò)載斷裂。

1.6電蝕

指軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，電流通過(guò)軸承體，在軸承內(nèi)外圈工作面和滾動(dòng)體工作面由于火花放電造成工作面熔融，而粗糙變色的腐蝕。

電流在循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)的軸承滾道輪和滾動(dòng)體的接觸部分流動(dòng)時(shí)，通過(guò)薄薄的潤(rùn)滑油膜發(fā)生火花，使其表面出現(xiàn)局部的熔融和凹凸現(xiàn)象。

1.7氫脆

是指軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，在軸承內(nèi)外滾道和滾動(dòng)體之間產(chǎn)生正負(fù)電場(chǎng)，使水分子電離，滲透至滾道表層，滾道工作面析氫產(chǎn)生裂紋，進(jìn)而剝落。

滾動(dòng)體、內(nèi)外圈在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生靜電，軸承在汽車(chē)整體架構(gòu)中承擔(dān)搭鐵導(dǎo)線的作用，這樣造成滾動(dòng)體帶正電，內(nèi)外圈帶負(fù)電，產(chǎn)生電場(chǎng)，滾動(dòng)體與內(nèi)外圈滾道產(chǎn)生微觀化學(xué)反應(yīng)，潤(rùn)滑脂中或外界環(huán)境中的水被電解帶正電的氫離子。在電場(chǎng)的作用下，氫離子在內(nèi)外圈滾道負(fù)電的作用下吸附在內(nèi)外圈滾道的表層，隨著氫離子濃度的增加，使氫離子穿透滾道表層進(jìn)入次表層，這樣，就破壞了表層的原子間的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生微小的裂痕，隨著裂痕的逐步延伸，最終產(chǎn)生滾道的剝落，尤其是在精致滾道的承載區(qū)，由于受到剪切應(yīng)力和高溫的影響，最容易產(chǎn)生氫脆而使?jié)L道承載區(qū)產(chǎn)生剝落。

2.軸承失效的預(yù)防

軸承的失效往往是多種因素造成的，設(shè)計(jì)制造過(guò)程的所有影響因素都可能造成軸承的失效，因此不容易判斷。在一般情況下，從使用因素和內(nèi)在因素兩方面考慮和分析。

2.1內(nèi)在因素主要是指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝和材料質(zhì)量等決定軸承質(zhì)量的三大因素

首先，結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)合理的同時(shí)應(yīng)具備有先進(jìn)性，才會(huì)實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)的軸承壽命。

設(shè)計(jì)因素是影響軸承壽命的關(guān)鍵因素，嚴(yán)格的根據(jù)軸承的承受載荷、轉(zhuǎn)速、等條件設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)形式，選擇合理的精（下轉(zhuǎn)第206頁(yè)）（上接第153頁(yè)）度和游隙配合要求。設(shè)計(jì)時(shí)要提出明確的安裝、使用、維護(hù)的技術(shù)要求便于后期維護(hù)保養(yǎng)。

第二軸承的制造過(guò)程要經(jīng)過(guò)鍛造、熱處理、車(chē)削、磨削和裝配等加工工序。另外各工序的工藝的技術(shù)水平、合理性、先進(jìn)性、穩(wěn)定性也會(huì)影響到軸承壽命。其中影響成品軸承質(zhì)量的熱處理和磨削加工工序，往往與軸承的失效有著更直接的關(guān)系。通過(guò)對(duì)軸承工作表面變質(zhì)層顯微分析的研究表明，磨削工藝與軸承表面的質(zhì)量關(guān)系密切。

第三軸承材料也是影響軸承早期失效的主要因素，隨著新的軸承材料不斷的研發(fā)出來(lái)，軸承的選材范圍也越來(lái)越容寬了，根據(jù)設(shè)計(jì)要求和使用的環(huán)境要求選擇適合的材料就顯得很重要。

2.2使用因素主要是指安裝調(diào)整、使用保養(yǎng)、維護(hù)保養(yǎng)等是否符合技術(shù)要求

安裝條件是使用因素中的首要因素之一，軸承往往因安裝不合適而導(dǎo)致整套軸承各零件之間的受力狀態(tài)變化，使軸承在不正常的狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)并提早失效。根據(jù)軸承安裝、使用、維護(hù)、保養(yǎng)的技術(shù)要求，對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)中的軸承所承受的載荷、轉(zhuǎn)速、工作溫度、振動(dòng)、噪聲和潤(rùn)滑條件進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)異常立即查找原因。此外，選擇適合的潤(rùn)滑脂也很重要。

3.結(jié)論

本文論述了從汽車(chē)軸承的常見(jiàn)失效模式和失效機(jī)理，盡管軸承是精密而可靠的機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)體，但使用、潤(rùn)滑、拆裝不當(dāng)也會(huì)引起失效。一般情況下，如果能正確使用軸承，可使用至疲勞壽命為止。軸承的早期失效多起于軸和軸承座的配合部位的制造精度、安裝質(zhì)量、使用條件、潤(rùn)滑效果、外部異物侵入等因素。因此，正確合理地使用軸承是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，在軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造和裝機(jī)過(guò)程中，針對(duì)產(chǎn)生早期失效的環(huán)節(jié)，采取相應(yīng)的措施，可有效地提高軸承和總成零部件的使用壽命，降低用戶(hù)的使用成本，提高用戶(hù)滿(mǎn)意度。 [科]

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