汽车轮毂轴承的断裂失效研究

陈贵银

南京冠盛汽配有限公司 邮编： 210000

摘要：汽车轮毂轴承是汽车的关键构件之一，可以将汽车方向盘操作力度精确地传送给车轮，便于司机及时控制行车方向，在保证变相以及变速灵敏度方面具有重要的作用。汽车轮毂轴承断裂失效是较为常见的问题，分析其产生原因具有现实意义。基于此，本文以某批次失效轮毂轴承为例，讨论其断裂失效情况，并从润滑不良以及游隙过大两个方面提出有效预防方案，以期能为汽车轮毂轴承断裂失效问题的解决提出参考。

关键词：汽车轮毂；轴承；失效

引言

轮毂轴承是汽车的重要零件之一，其核心作用是承载重量，并为控制轮毂的转动，这就需要其不仅能够承载轴向荷载，同时能够承受径向荷载^[1]。汽车车轮采用两套圆锥滚子轴承或是球轴承联合的方法，轴承安装、润滑、密封以及游隙调节都是在汽车生产线上完成安装。如果车辆轮轴承受损，将导致轴承在车辆行驶过程中失效，进而威胁乘客的生命安全。一般情况下，失效的主要表现形式包括异常磨损、振动明显等，失效的主要原因包括断裂、磨损、锈蚀等类型，其中又以断裂失效引发的后果最为严重。因此，检修人员应分析车辆轮毂轴承断裂失效产生的原因，并通过有效的方式予以处理，保证汽车行驶的安全性。

一、轴承断裂情况及检测工作

（一）轴承断裂情况

某汽车制造商维修站存在一批轮毂轴承失效零构件，该批次轴承质量保证时长为3年或是20万公里的。该批次失效轮毂主要用在某国产品牌汽车组装之中，构成零构件包括内圈、外圈以及滚球等多个部分。通过对本批次内容进行分析总结等发现，该批次汽车轮毂轴承之中，40%已经断裂失效的轴承使用时长在0个月至5个月之间，40%的轴承使用时长在6个月至10个月之间，18%失效轴承使用时长在11个月至15个月之间，剩下的轴承使用时长在16个月至20个月之间。检修人员拆卸部分典型的断裂失效轴承，并开展力学、成分等检验与分析，寻找导致轮毂轴承失效的根本原因。

（二）检测研究工作

第一，宏观观察。针对其中十分典型的三类轮毂轴承予以失效研究，编号分别设为1号、2号与3号。通过观察三个轴承外部可以发现，1号内圈出现了剥落、滚道颜色泛黄、外圈有明显压痕，2号上下滚道存在呈条状压痕；3号外圈出现小块压痕。观察人员针对三类轮毂轴承开展内外圈圆度检测，其中1号轴承外圈内侧滚道与设计图纸预数值之间存在较大的误差，2号外圈与内圈外侧的滚道圆度都和标准值有较大误差，误差值不少于2.2μm；3号外圈外侧滚道圆度以及内圈外侧滚道圆度同样存在较大的误差。因此，上述轴承在实际使用过程中会产生噪声以及振动。

第二，成分检验结果。选择较为典型的3组已经失效轮毂轴承开展化学成分检验。本次检验工作所用检验设备为钢研纳克公司销售的LabSpark直读式火花光谱设备，同时和国标GB/T18254—2000《高碳铬轴承钢》内有关成分标准进行分析，确认其中含有的主要化学成分包括碳元素（C）、铬元素（Cr）、锰元素（Mn）以及硅元素（Si）等^[2]。通过对比可知，1号轮毂轴承内圈以及3号轮毂轴承外圈之中碳元素含量数值明显低于有关标准关于轴承成分的要求，而其他元素含量基本能够满足我国相关标准的要求。

第三，金相与硬度检验。本次研究针对三类一斤失效的轮毂轴承外圈开展关于硬度以及硬化层深度的检验，同时参考我国相关规范文件针对外圈合格性予以评估。结合我国JB/T1255-2001规范内的有关要求，如果同圈有效壁厚度不低于15m，则硬度必须达到57HRC至61HRC，在有效壁厚少于15mm时间，硬度需要在58HRC至63HRC之间；硬化层深度范围需要控制在1mm之上。通过分析失效轮毂轴承外圈检验结果显示，三种轮毂轴承硬化层深度均符合我国相关规范文件的要求。其中3号轴承硬度相对较低，导致轴承在实际应用期间，更为容易受到磨损，进而引发断裂失效的问题。3号轴承硬度较低是因为其碳含量明显不足。本次研究针对三种轮毂轴承外圈开展金相组织检验，结果显示其金相组织均呈结晶马氏体+碳化物+残留的奥氏体组织以及针状马氏体。参考我国相关文件关于球化退火后的技术标准，依照第一级别图纸评估2级至4级别为合格组织，即许可存在部分点状球化的组织，但是不可出现欠热、碳化物布置不均匀或是过热的现象，通过本次样品金相组织分析可知，所有受检轴承组织均处于2级至3级之间，同时满足我国机械行业制定的相关规范。

第四，扫描电镜显微组织。针对三种轮毂轴承内圈与外圈滚道进行扫描电镜显微检验，同时对比新轴承的检验结果。新轴承表面仅部分机械加工残留的刀痕，整体滚道外表十分光滑，且不存在孔洞或是受到严重的机械性损伤的现象。而断裂失效轴承外圈滚道中检测中发现，1号外圈滚道区域产生部分凹坑，且出现剥落现象，总量相对较少；2号外圈滚道区域存在许多小面积的凹坑，部分出现剥落现象，凹坑呈现弥散分布，原因可能是因为滚道之中渗透了许多硬度较高的颗粒，造成严重的磨损，进而引发断裂失效；3号外圈滚道中产生了蠕虫状的凸起部分，造成该现象主要原因是因为润滑条件不理想，引发的粘着磨损。

二、断裂失效原因分析

（一）润滑不良引发的原因

第一，轴承密封圈与密封圈座的搭配。通常情况下，汽车轮毂轴承密封圈设计运用接触式合金骨架以及相交双层构成。为了避免润滑脂外漏，应保证内层密封圈横截面和密封圈作形成紧密的配合^[3]。为了避免外界水气或是异物渗透在轴承内，外层的密封圈和相关设备需要保证配合紧密。这种设计方式可以达到双层密封的效果，能够有效保存轴承之中的优质，该设计方式相对合理。轴承的使用过程中主要容易受到润滑情况优劣的影响，保证油脂避免受到外界污染的关键构件是轴承的密封圈。但是，该构件并容易在轴承拆卸以及维修工作中出现塑性形变。就本次研究显示，所有断裂失效的轮毂轴承密封圈受损，使得外界的污染物或是水汽渗透至轴承之中，造成润滑脂较为污浊且不断干涩，造成润滑油脂本身的特性逐渐消失，即钢球和内沟道、外购到的接触面积形成较大的Hertz应力以及坚硬度，使得沟道上出现不同程度的划痕。

（二）游隙过大造成轴承断裂

游隙过大指的是进口轴承尚未安设在轴或是轴承箱之中时，先将内圈或是外圈一端进行固定，之后未接受处理的一端进行径向或是轴向运动时的量。结合运动的方向，游隙可以区分为径向游隙以及轴向游隙两种类型。汽车在实际运行期间，转向以及摆动形成的轴向负荷将导致游隙数值过大，进而引发轮毂轴承断裂的问题。

三、断裂失效预防方案

（一）润滑不理想的预防方案

轮毂轴承密封圈是确保油脂质量的重要构件。轴承拆卸、检修期间，密封圈可能产生塑性形变的概率较高^[4]。故而，汽车检修工作中，检修人员应十分重视密封圈的保护，在非必要情况下，不可拆卸轴承密封圈。如果必要情况下必须拆卸，检修人员需要在拆卸后及时更换新的轮毂轴承密封圈。另外，检修人员还需要思考其他因素对轮毂轴承密封圈所产生的影响，包括轮毂轴承润滑脂是否具备优秀的抗水性、漏失性，并研究密封圈与橡胶的相容性。此外，汽车制造应尽量选用一些高性能的密封圈，轮毂轴承需要满足不同类型的路况以及驾驶环境。故而，理想的防漏性能是轴承密封圈理应具备的。因此，汽车制造商应选用高性能的密封圈，车辆轮毂轴承出现断裂失效的问题。

（二）游隙过高的预防方案

汽车组装过程中，组装人员应保证轴向力符合有关要求。组装人员可以通过数字显示的方式锁紧工具安装。不仅如此，工作人员在组装过程中，必须保证中心处于同一条轴线会上，即保证轮轴轴承的中心线与后桥中心线相同，若是两者同轴程度不足，则工作中便会发生轴承局部过载的问题，进而引发轴承断裂失效的问题。

结束语

轮毂轴承属于十分精密且可靠的机构基础体。然而，实际应用、安装以及润滑期间，可能会引轴承断裂失效的问题，不仅缩减了轴承的使用时长，同时也威胁了汽车的安全运行，甚至危害了司机的生命安全。故而，汽车有关工作人员应明确轮毂轴承断裂失效的主要表现与原因，并从润滑以及游隙两方面予以预防，以保证轮毂轴承的安全性，减少司机的应用成本，并保证司机的生命财产安全。

参考文献

[1] 王国辉,雷良育,荆家宝,等. 重型卡车轮毂轴承模拟测控系统的设计[J]. 装备机械,2019(1):14-19.

[2] 张帅,杜学芳,邓四二,等. 重卡轮毂轴承刚-柔组合密封结构设计及优化[J]. 润滑与密封,2020,45(11):105-110,135.

[3] 雷良育,胡永伟,刘国辉,等. 基于ADAMS的轮毂轴承噪音寿命的分析[J]. 盐城工学院学报（自然科学版）,2019,32(1):12-18.

[4] 操龙飞. 某汽车轮毂轴承法兰内圈开裂原因[J]. 机械工程材料,2020,44(4):83-86.