汽車圓錐滾子軸承內(nèi)圈支承面制作的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

盧彥群　赫明月　侯建偉　喬洪超

摘 要：文章描述了一種汽車軸承的軸承內(nèi)圈支承面制作的優(yōu)化方法，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用新的工藝路線加工的軸承，具有良好的使用性能和較長的使用壽命，能夠滿足汽車工業(yè)中最苛刻的使用要求。關(guān)鍵詞：軸承;功能表面;軸承壽命;滾子;滾道;微觀幾何結(jié)構(gòu)中圖分類號：U466 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）11-52-04

Abstract：?This paper describes an optimization method for the production of inner ring bearing surface of a rolling bearing（TRBs）of auto， and conducts experimental research. Experimental results show that the bearings processed by the new method in this paper have good serviceability and long service life， and can meet the most demanding use requirements in the automobile industry.Keywords： TRBs;?Function surface; TRBs life; Rollers; Raceway; Micro geometryCLC NO.：?U466 ?Document Code： B??Article ID： 1671-7988（2020）11-52-04

1 引言

滾動(dòng)軸承是汽車中的一個(gè)重要部件，它的工作狀態(tài)和使用壽命對某些總成件的機(jī)械性能起著決定性的作用。然而，汽車滾動(dòng)軸承的工作環(huán)境比較惡劣，振動(dòng)、噪音、潤滑脂變質(zhì)或滾子表面疲勞剝落等因素，都直接影響著滾動(dòng)軸承的工作狀態(tài)和使用壽命。

為了讓軸承在惡劣的工作環(huán)境下可以正常工作，并保證其使用壽命。許多技術(shù)員和研究者都參與了軸承性能的提高和改進(jìn)的工作[1-5]，這些研究中研究者更多關(guān)注的是提高軸承的某一特殊性能，比如熱處理材料、更高的運(yùn)行精度、優(yōu)化的表面。但實(shí)際上軸承的功能表面的微觀幾何結(jié)構(gòu)對軸承的工作狀態(tài)和壽命也有著十分重要的影響[6-8]。因而，對圓錐滾子軸承的功能表面的微觀幾何結(jié)構(gòu)的研究就顯得至關(guān)重要。

2 汽車圓錐滾子軸承預(yù)期微觀幾何結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)前期準(zhǔn)備

汽車圓錐滾子軸承（以下簡稱軸承）制造過程中時(shí)獲得的微觀幾何結(jié)構(gòu)，包括表面粗糙度、波紋度和功能表面的圓度等[9-15]，在很大程度上影響著軸承的摩擦狀況。其中最重要的影響因素是內(nèi)圈支撐面與圓錐滾子的大錐面及其所具有微觀幾何結(jié)構(gòu)特征[16]。

如果忽視軸承的微觀幾何結(jié)構(gòu)特征，則會(huì)喪失滾動(dòng)或滑動(dòng)的有效工作區(qū)域，甚至?xí)?dǎo)致危險(xiǎn)的“邊界接觸”。一旦出現(xiàn)邊界接觸，軸承就會(huì)很快報(bào)廢，最終導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備的使用壽命的終結(jié)。

在汽車差速器的實(shí)際應(yīng)用中，圓錐滾子軸承內(nèi)圈支撐面與滾子大錐面的粗糙度為Ra=0.04μm。在其他場合用到的標(biāo)準(zhǔn)軸承，其粗糙度在0.16至0.20μm之間[17]（圖1所示為用Talysurf輪廓儀測量粗糙度），也就是說，其粗糙度是差速器軸承粗糙度的5倍。

通常情況下，無法通過普通的磨削來達(dá)到Ra=0.04μm的粗糙度，必須采用更加科學(xué)的加工工藝來實(shí)現(xiàn)。此類軸承的名稱除包含軸承的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)記外，還包含符號“CL7C”，它表示這些軸承無需任何磨合，就可以承載足夠的摩擦力矩，也就是說，這些軸承初始運(yùn)行就可以加載到最大負(fù)荷，且不會(huì)出現(xiàn)損傷或卡滯。

正如先前所述，內(nèi)圈支撐面和圓錐滾子大錐面的加工質(zhì)量及其在這些表面上達(dá)到的顯微幾何特征，對此類支撐具有重要的影響。在系列化生產(chǎn)中，CC公司生產(chǎn)的軸承可以滿足圓錐滾子軸承所需的其他參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但由于缺乏對內(nèi)圈支撐面進(jìn)行超精加工設(shè)備、技術(shù)和優(yōu)化工藝，目前還無法生產(chǎn)滿足汽車變速器和差速器所采用的執(zhí)行CL7C標(biāo)準(zhǔn)要求的軸承[18-20]。

但是，對許多公司來說，非常希望為客戶提供執(zhí)行CL7C標(biāo)準(zhǔn)的軸承，但他們無法用現(xiàn)有加工方法來滿足用戶所需的質(zhì)量參數(shù)，只好通過軸承磨合來代替超精加工，這樣會(huì)非常耗時(shí)，價(jià)格昂貴，且需要專門的測試站來完成這種磨合，大大提高了制造成本，同時(shí)也給用戶帶來不便。

針對這種情況，我們提出：通過選擇合適的機(jī)床和磨具，尤其是合理的工藝參數(shù)等措施，改善軸承承載表面的微觀結(jié)構(gòu)，使軸承一次性滿足CL7C標(biāo)準(zhǔn)，并在各環(huán)節(jié)做了周密、細(xì)致的相應(yīng)準(zhǔn)備。實(shí)驗(yàn)選擇在CC公司進(jìn)行，以幫助解決制造高精度軸承的問題。

2.2?實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備及其參數(shù)

我們使用的實(shí)驗(yàn)方法是通過“修正軸承部件的功能表面”的制造技術(shù)來制造質(zhì)量更好的軸承，以滿足應(yīng)用需求。

首先，選用高精密機(jī)床：圖2為研磨機(jī)在進(jìn)行超精加工，從中可以看到被加工的軸承內(nèi)圈，右側(cè)是研磨砂輪，該機(jī)器為德國進(jìn)口的超高精密機(jī)床，型號為SW?AGL125 PC 610，精度等級可達(dá)12。

其次，選擇超精加工磨具：選擇德國HERMES品牌的氮化硼（CBN）砂輪，型號為200×8×51 3CBN3 150 K9 VEZ 1，其粒度W=40～50，硬度為Y1級，粘合劑為特種樹脂，最高加工精度可達(dá)Ra=0.008μm。

再者，加工過程由一位實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富的高級技師實(shí)施：通過嫻熟的技能、超精的設(shè)備和細(xì)致的操縱進(jìn)行加工作業(yè)。

第四，采用合適的其工藝條件：

——切割速度：50 m/s;

——轉(zhuǎn)速：4500rpm;

——工作主軸轉(zhuǎn)速：1000rpm;

——標(biāo)準(zhǔn)軸承的磨削公差：0.2-0.35 mm;

——優(yōu)化軸承的磨削公差：粗加工：0.2-0.35 mm，精磨：0.03-0.05 mm。

磨削后的質(zhì)量參數(shù)要求如下（見圖3）：

——標(biāo)準(zhǔn)軸承支承面粗糙度：Ra=0.20μm;

——優(yōu)化軸承的支承面粗糙度：Ra=0.04μm;

——支撐面相對于基礎(chǔ)面的軸向擺動(dòng)：標(biāo)準(zhǔn)軸承：0.005 mm，優(yōu)化軸承：0.002mm;

——標(biāo)準(zhǔn)軸承支承面角度公差：20′;

——優(yōu)化軸承支承面的角度公差：10′;

——支承面表面不得重新加熱;

——支承面輪廓（圖示部分）必須為凸出0.002mm。

與CC公司現(xiàn)有技術(shù)相比，實(shí)驗(yàn)獲得了預(yù)期的結(jié)果，即：軸承的主要功能表面（內(nèi)圈大錐面和圓錐滾子大錐面）的粗糙度達(dá)到了Ra≤0.04μm的優(yōu)化目標(biāo)。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

雖然從粗糙度來講，優(yōu)化軸承達(dá)到了CL7C的基本指標(biāo)，但其實(shí)際運(yùn)行性能，需要用以下兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證：

3.1 基本載荷動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)

選用20個(gè)優(yōu)化軸承，逐一安裝在實(shí)驗(yàn)室測試臺的樞軸上，模擬它們在重量為1t的轎車上的運(yùn)行條件進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明這些優(yōu)化后的軸承在實(shí)驗(yàn)中百分百滿足基本動(dòng)載荷要求的承載能力，這意味著基于加工工藝視角提出的優(yōu)化方案是正確的。

3.2 摩擦力矩實(shí)驗(yàn)

對優(yōu)化軸承進(jìn)行的另一項(xiàng)試驗(yàn)是測量摩擦力矩，使用的試驗(yàn)臺可滿足4個(gè)軸承的同時(shí)試驗(yàn)。

標(biāo)準(zhǔn)軸承摩擦力矩檢測結(jié)果見表1，其演變過程如圖4所示;優(yōu)化軸承摩擦力矩檢測結(jié)果見表2，其演變過程如圖5所示。通過實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)未經(jīng)優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)軸承的最大載荷為Famax=63000N。

對于標(biāo)準(zhǔn)軸承，首先在載荷Fa=9000 N的情況下對軸承進(jìn)行24 h的磨合。然后按照表1逐漸進(jìn)行加載。每10分鐘增加一次負(fù)載，并讀取摩擦力矩：

——首次測量：將負(fù)載增加到Fa=18000N，20分鐘后測量，?摩擦力矩為3.1Nm;

——第2次測量：將負(fù)載增加到Fa=27000 N，30分鐘后測量，摩擦力矩為3.4 Nm;

——第3次測量：將負(fù)載增加到Fa=36000N，40分鐘后測量，摩擦力矩為3.6Nm;

——第4次測量：將負(fù)載增加到Fa=45000N，50分鐘后測量，摩擦力矩為4.0 Nm;

——第5次測量：將負(fù)載增加到Fa=54000 N，60分鐘后測量，摩擦力矩為5.1 Nm;

——第6次測量：未能成功測量，因?yàn)閲L試在54000 N負(fù)載的基礎(chǔ)上繼續(xù)加載后，軸承卡死。

圖4清楚地表達(dá)了標(biāo)準(zhǔn)軸承摩擦力矩演變的過程：在軸承運(yùn)行至第50和第60分鐘之間時(shí)，摩擦力矩曲線急劇變化（惡化），很有可能會(huì)出現(xiàn)故障。

對優(yōu)化軸承測試時(shí)，在一開始的1min內(nèi)以最小力（Famin=?2300N）加載，且在1min時(shí)測得的摩擦力矩為1.3Nm。在此后的45s內(nèi)，將力加載到根據(jù)計(jì)算可以承受的最大載荷——Famax=63000 N，實(shí)驗(yàn)過程中，沒有出現(xiàn)額外的溫度升高，最高工作溫度為65℃，噪聲也未增大，也沒有探測的振動(dòng)。然后按計(jì)劃（表2）逐步進(jìn)行試驗(yàn)，在Famax=63000 N的最大載荷下，每10分鐘讀取一次摩擦力矩：

——首次測量：10分鐘后測量，?摩擦力矩為4.8Nm;

——第2次測量：20分鐘后測量，摩擦力矩為4.5 Nm;

——第3次測量：30分鐘后測量，摩擦力矩為4.6Nm;

——第4次測量：40分鐘后測量，摩擦力矩為4.5 Nm;

——第5次測量：50分鐘后測量，摩擦力矩為4.5 Nm;

——第6次測量：60分鐘后測量，摩擦力矩為4.4 Nm。

圖5所示的優(yōu)化軸承摩擦力矩的演變過程清楚地顯示出，在以Famax=63000N的最大載荷加載后，其摩擦力矩很快達(dá)到4.8Nm，這是正常現(xiàn)象;然后在1h內(nèi)，摩擦力矩摩擦基本恒定，或者有輕微下降的趨勢。此摩擦力矩的演變與CL7C和CL7A系列軸承摩擦力矩的演變過程完全一致，因此，證明優(yōu)化后的軸承可以應(yīng)用于在汽車工業(yè)中最苛刻的安裝要求場合。

觀察圖4及圖5并對其進(jìn)行比較，會(huì)立刻看出軸承優(yōu)化前后的質(zhì)量區(qū)別。

對標(biāo)準(zhǔn)軸承，在經(jīng)過24h的最小載荷Fa=9000N磨合后，其后，軸承以10分鐘的時(shí)間為間隔，逐漸提高加載水平。即使經(jīng)過這種預(yù)備性試驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)軸承也沒有達(dá)到它們應(yīng)該承受的最大負(fù)荷。隨著載荷逐漸增大，其摩擦力矩也逐漸增大，而50min后，摩擦力矩開始急劇提高，溫度上升，噪音增大，振動(dòng)加劇，最終軸承卡死停轉(zhuǎn)。

對于優(yōu)化軸承，需經(jīng)過1分鐘短時(shí)間的、在最小負(fù)載力Famin=2300 N作用下的優(yōu)化運(yùn)行，以確保軸承部件的正確安裝，之后，立即從最大負(fù)載力Famax=63000 N（根據(jù)計(jì)算，軸承應(yīng)能承受該負(fù)載）開始加載。之所以選擇這樣“激進(jìn)”的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，是因?yàn)檫@些軸承是對安裝要求最苛刻的軸承（比如，差速器、變速箱、車輪驅(qū)動(dòng)總成等），而且在實(shí)際場合也承受這樣的負(fù)載。其摩擦力矩曲線在最大載荷后達(dá)到最大值4.8N m，但之后不再增加，且具備保持不變，甚至略有下降的趨勢。當(dāng)軸承在最大載荷下表現(xiàn)出這樣的性能時(shí)，就可以肯定它們適用于要求最苛刻的安裝場合，因?yàn)檫@些載荷是變化的，自然不會(huì)永久持續(xù)最大值。

4 結(jié)論

本文描述了汽車圓錐滾子軸承一種軸承內(nèi)圈支承面制作的優(yōu)化方法并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論：

（1）對利用新工藝加工的軸承進(jìn)行了基本載荷動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)和摩擦力矩實(shí)驗(yàn)，證明優(yōu)化后的軸承可以應(yīng)用于汽車工業(yè)中最苛刻的使用工況;

（2）可一次性制造出具有所需表面微觀結(jié)構(gòu)的軸承，避免了通過傳統(tǒng)的、長時(shí)間的、昂貴和低效的磨合來實(shí)現(xiàn)同一目的;

（3）研究成果對實(shí)際的汽車軸承制造有一定的指導(dǎo)意義，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也完全可以推廣到其它定制軸承以及系列軸承的制造中。

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