基于輪轂軸承潤(rùn)滑脂泄漏失效的潤(rùn)滑脂選用分析

李曉霞　李飛　陳定積　夏海青

摘 要：本文通過(guò)故障樹分析方法（FTA）分析了輪轂軸承油脂泄漏原因，通過(guò)實(shí)車路試和臺(tái)架試驗(yàn)確認(rèn)了不同稠化劑類型對(duì)聚脲型潤(rùn)滑脂的剪切穩(wěn)定性的影響，進(jìn)而確認(rèn)了對(duì)輪轂軸承潤(rùn)滑脂泄漏性能的影響，從而為新車型輪轂軸承潤(rùn)滑脂的選型提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：輪轂軸承；油脂泄漏；稠化劑；剪切穩(wěn)定性；潤(rùn)滑脂選型

中圖分類號(hào)：TH133.3；O313.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1005-2550（2018）03-0029-05

To Analysis Grease Application Standard Base on Hub Bearing Grease Leakage Failure

LI Xiao-xia， LI Fei， CHEN Ding-ji， XIA Hai-qing

（Dongfeng Motor Co. Ltd Dongfeng Nissan Passenger Vehicle Company GuangZhou 510800，China）

Abstract： This paper analysis the root cause of hub bearing grease leakage by FTA method， we confirmed different type thickener effect to grease shear stability performance， and confirmed the effect to hub bearing grease leakage performance. So this paper provided a database for grease choose for new development vehicle.

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，為滿足輕量化、高安全性、舒適性、燃油經(jīng)濟(jì)性的要求，輪轂軸承正朝著集成化，高可靠性及長(zhǎng)壽命，低摩擦等性能方面發(fā)展【1】。在乘用車中比較普遍采用有三種式樣的輪轂軸承，一代輪轂軸承，二代輪轂軸承和三代輪轂軸承。在輪轂軸承中，潤(rùn)滑脂的泄漏是引起軸承失效的最主要因素之一。潤(rùn)滑脂泄漏，不僅涉及密封圈結(jié)構(gòu)，也與封入的潤(rùn)滑脂種類相關(guān)。因此，如何選用合適的潤(rùn)滑脂，降低輪轂軸承的潤(rùn)滑脂泄漏概率，對(duì)提高汽車行駛安全性及降低汽車用戶的維護(hù)成本具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 引言

因此本文將就公司某款車型開發(fā)過(guò)程中潤(rùn)滑脂泄漏的原因進(jìn)行分析和探討，通過(guò)分析，確認(rèn)不同潤(rùn)滑脂對(duì)輪轂軸承泄漏性能的影響，進(jìn)而對(duì)潤(rùn)滑脂的選型提供依據(jù)。

2 失效軸承安裝部位及故障現(xiàn)象

本次發(fā)生油脂泄露的軸承為一代輪轂軸承，其安裝示意如圖（圖1）所示。發(fā)生油脂泄露的部位為軸承內(nèi)側(cè)，泄漏油脂在驅(qū)動(dòng)軸與轉(zhuǎn)向節(jié)的空檔處集聚，油脂顏色墨綠，呈脂狀，故障現(xiàn)象如圖（圖2）所示。拆解后觀察失效件潤(rùn)滑脂的狀態(tài)，呈現(xiàn)半流體狀（圖3）。

3 原因分析

在分析原因之前，首先說(shuō)明輪轂軸承的安裝結(jié)構(gòu)（圖3），首先將一代軸承壓裝到轉(zhuǎn)向節(jié)，然后再壓入輪轂軸，最后通過(guò)合適的鎖緊力矩控制輪轂軸承最終工作預(yù)壓，使其達(dá)到合適的工作狀態(tài)。一代輪轂軸承由內(nèi)輪，外輪，鋼球，油封，油脂，保持架等組成。

3.1 外圈

首選確認(rèn)與油封配合的外圈內(nèi)徑，如果此內(nèi)徑尺寸超差或有毛刺或粗糙度不滿足設(shè)計(jì)此內(nèi)徑尺寸超差或有毛刺或粗糙度不滿足設(shè)計(jì)要求，可能與油封配合的不良，從而導(dǎo)致潤(rùn)滑脂的泄漏。通過(guò)測(cè)量失效件外圈與油封配合處的尺寸，粗糙度，圓度及表面情況，確認(rèn)外圈關(guān)聯(lián)尺寸全部滿足設(shè)計(jì)要求，因此排除外圈的因素。

3.2 內(nèi)圈

同外圈情況相同，需要確認(rèn)與油封拋油環(huán)配合是否存在問(wèn)題。通過(guò)測(cè)量?jī)?nèi)圈外徑，表面粗糙度，圓度；油封拋油環(huán)內(nèi)徑，表面粗糙度，圓度等參數(shù)，確認(rèn)內(nèi)圈及拋油環(huán)全部滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 油封

在分析原因之前，首先說(shuō)明油封結(jié)構(gòu)（圖4）及各個(gè)唇口的功能。本輪轂軸承采用了三唇式樣油封，如下圖（圖4）所示。每個(gè)唇口的功能介紹如下，唇Ⅰ：主唇，防止軸承內(nèi)油脂從內(nèi)部溢出到外部。唇Ⅱ：防塵唇，防止軸承外部異物，泥水等進(jìn)入到軸承內(nèi)部。唇Ⅲ：防塵唇，防止軸承外部異物，泥水等進(jìn)入到軸承內(nèi)部。

本次油脂泄露是軸承內(nèi)部油脂溢出到軸承外部，因此主要分析主唇Ⅰ與拋油環(huán)Ⅳ的接觸壓力是否足夠及主唇與拋油環(huán)的配合是否滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3.1 主唇Ⅰ與拋油環(huán)Ⅳ接觸壓力

通過(guò)CAE 分析確認(rèn)唇口與拋油環(huán)的接觸壓力滿足設(shè)計(jì)要求，CAE 分析結(jié)果（圖5）如下所示。

3.3.2 唇口尺寸及拋油環(huán)尺寸

測(cè)量唇口Ⅰ及拋油環(huán)的相關(guān)配合尺寸，確認(rèn)尺寸滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3.3 唇口異常磨損確認(rèn)

通過(guò)觀察唇口Ⅰ及拋油環(huán)的磨損痕跡，確認(rèn)唇口的配合是否存在異常。拋油環(huán)Ⅳ磨損（圖6）及唇口Ⅰ磨損（圖7）如下圖所示，確認(rèn)唇口與拋油環(huán)配合正常，無(wú)異常磨損。

3.3.4 油封裝配

如果油封壓入過(guò)程中壓歪，可能會(huì)引起油封與內(nèi)外圈配合的異常，從而引起潤(rùn)滑脂的泄漏。所以在故障件分解前確認(rèn)了油封端面的平行度，確認(rèn)油封裝配滿足要求。

3.4 油脂

3.4.1 首先確認(rèn)潤(rùn)滑脂的封入量

根據(jù)軸承設(shè)計(jì)，分析計(jì)算軸承內(nèi)容空間，確認(rèn)油脂封入量為正常空間容量的30～40%，符合設(shè)計(jì)要求。

3.4.2 潤(rùn)滑脂物理特性確認(rèn)

如果潤(rùn)滑脂油分離度較高，在使用過(guò)程中基礎(chǔ)油容易析出而導(dǎo)致潤(rùn)滑脂的泄漏。確認(rèn)潤(rùn)滑脂的油分離度參數(shù)，發(fā)現(xiàn)此潤(rùn)滑脂的油分離度的值較小，滿足設(shè)計(jì)要求。排除由于潤(rùn)滑脂的油分離度不合適而導(dǎo)致基礎(chǔ)油甩出的可能。

潤(rùn)滑脂是由基礎(chǔ)油，增稠劑和添加劑組成，其增稠劑的纖維結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中不斷被剪切而導(dǎo)致其變軟而變得容易流動(dòng)，增加了泄漏的可能性。因此對(duì)泄漏潤(rùn)滑脂的剪切性能進(jìn)行了確認(rèn)，測(cè)量結(jié)果如下表（表1）。從測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出，潤(rùn)滑脂的硬度變化較大，其硬度初始的從256（3號(hào)）變化到396.7（00號(hào)），變化率高達(dá)55%，根據(jù)NLGI 錐入度與硬度的對(duì)應(yīng)關(guān)系（表2），其硬度跨越了4個(gè)等級(jí)。

與此同時(shí)驗(yàn)證了現(xiàn)有某量產(chǎn)車型的潤(rùn)滑脂（B），與失效潤(rùn)滑脂（A）進(jìn)行了對(duì)比。發(fā)現(xiàn)潤(rùn)滑脂（B）的剪切穩(wěn)定性從290（2號(hào)）變化到327.9（1號(hào)），硬度跨越2個(gè)等級(jí)，變化率僅為13%，測(cè)試數(shù)據(jù)參考下表（表3）。與潤(rùn)滑脂（A）跨越4個(gè)等級(jí)的結(jié)果相比，潤(rùn)滑脂（B）的剪切穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于潤(rùn)滑脂（A）。

因而推定由于選用了剪切性能不合適的潤(rùn)滑脂，而此油脂在使用過(guò)程中極易變軟從而導(dǎo)致了潤(rùn)滑脂的泄漏。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及解決方案

為了確認(rèn)兩種潤(rùn)滑脂對(duì)輪轂軸承泄漏性能的影響，進(jìn)行了臺(tái)架和實(shí)車實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，測(cè)試工況選擇低速和高速泄漏測(cè)試工況。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，潤(rùn)滑脂（B）在3種實(shí)驗(yàn)條件下，泄漏量為0g，同等實(shí)驗(yàn)條件，防泄漏性能明顯優(yōu)于潤(rùn)滑脂（A）。

但是由于潤(rùn)滑脂（B）屬于首次在此輪轂軸承上應(yīng)用，因而有必要確認(rèn)此油脂與油封橡膠材，保持架的兼容性，同時(shí)需要驗(yàn)證對(duì)摩擦力矩及對(duì)軸承壽命的影響，最終驗(yàn)證滿足設(shè)計(jì)要求后決定選用潤(rùn)滑脂（B）替代潤(rùn)滑脂（A）。

5 潤(rùn)滑脂的選用建議

雖然聚脲潤(rùn)滑脂因其卓越的性能，如良好的熱穩(wěn)定和氧化安定性，高性能及長(zhǎng)使用壽命廣泛應(yīng)用于汽車輪轂軸承[2]。但從本次油脂泄漏實(shí)際案例出發(fā)，潤(rùn)滑脂（A）與潤(rùn)滑脂（B）雖然同屬于聚脲型潤(rùn)滑脂，但因?yàn)槌砘瘎╊愋筒煌?，其剪切穩(wěn)定性有比較明顯的差異，對(duì)輪轂軸承潤(rùn)滑脂泄漏性能也有比較大的影響。為降低潤(rùn)滑脂的泄漏概率，對(duì)輪轂軸承潤(rùn)滑脂的選用提出了兩點(diǎn)建議：

5.1 稠化劑類型

不同結(jié)構(gòu)稠化劑會(huì)導(dǎo)致不同性能的聚脲潤(rùn)滑脂[3]，確認(rèn)到芳香族稠化劑類型潤(rùn)滑脂，即潤(rùn)滑脂（B）在剪切穩(wěn)定性方面優(yōu)于脂肪族稠化劑類型聚脲潤(rùn)滑脂即潤(rùn)滑脂（A），使用過(guò)程中，硬度變化范圍小，建議選擇潤(rùn)滑脂時(shí)優(yōu)先選擇芳香族稠化劑類型聚脲潤(rùn)滑脂。

5.2 剪切穩(wěn)定性變化率

潤(rùn)滑脂剪切穩(wěn)定性，即延長(zhǎng)工作錐入度的變化率更能表征某種潤(rùn)滑脂的機(jī)械穩(wěn)定性。因此除了確認(rèn)工作錐入度，還需要確認(rèn)延長(zhǎng)工作錐入度的變化率，根據(jù)依據(jù)本次潤(rùn)滑脂（B）的剪切穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果及及參考國(guó)標(biāo)GB/T 5671—1995《汽車通用鋰基潤(rùn)滑脂》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定延長(zhǎng)工作錐入度變化率不大于20%的標(biāo)準(zhǔn)，建議選擇聚脲基潤(rùn)滑脂時(shí)，潤(rùn)滑脂的延長(zhǎng)工作錐入度的變化率參考GB/T 5671—1995標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

當(dāng)然，除了以上兩點(diǎn)需要特別關(guān)注的因素外，轎車輪轂軸承的工作狀況決定其選用的潤(rùn)滑脂還應(yīng)必須具備的其他的關(guān)鍵性能[4]包括：

（1）優(yōu)異的耐高溫性能。

（2）優(yōu)良的抗氧化安定性。

（3）良好的橡膠兼容性。

（4）優(yōu)良的抗微動(dòng)磨損和抗磨性能。

（5）抗水性

（6）較長(zhǎng)的使用壽命。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文解決了一種輪轂軸承潤(rùn)滑脂泄漏的課題，提供了一種解決的途徑；確認(rèn)了兩種不同稠化劑類型聚脲型潤(rùn)滑脂的剪切穩(wěn)定性的差異及對(duì)輪轂軸承潤(rùn)滑脂泄漏性能的影響，為今后輪轂軸承潤(rùn)滑油脂的選用提供了依據(jù)，對(duì)今后新車型輪轂軸承的開發(fā)具有非常重要的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]姚立丹，楊海寧.2008中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集[C].北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[2]嚴(yán)飛.轎車輪轂軸承聚脲潤(rùn)滑脂研究綜述[J]. Automible parts，2013，（10）：77-79.

[3]趙改青，張遂心，王曉波，劉維民.聚脲潤(rùn)滑脂稠化劑結(jié)構(gòu)與其性能的關(guān)系[J] .潤(rùn)滑與密封，2012，（37）：5-9.

[4]吳風(fēng)華，康軍，高燕青，吳寶杰，聚脲型轎車輪轂軸承潤(rùn)滑脂的研制[J] .產(chǎn)品開發(fā)，2012，（5）：39-43.