一种轮毂轴承耐水润滑脂的开发

陈峰，刘军，稻见宣行，横内敦

(1.恩斯克(中国)研究开发有限公司，江苏 昆山 215332；2.日本精工株式会社，神奈川 藤泽 251-8501)

1 前言

汽车轮毂轴承单元(图1)起着支承车体，保证车轮顺畅旋转的作用，故对轴承可靠性有较高的要求[1-3]。实际应用中轮毂轴承的主要失效形式为异响，占总失效量的90%以上，而造成轴承异响的主要原因之一是水侵入到轴承内部，导致轴承产生异常磨损、锈蚀或者早期疲劳剥落[4-5]。

图1 轮毂轴承单元及应用部位

针对水侵入轴承中引起的失效，以往主要的对策是强化密封圈，通过FEM解析优化密封唇形状或者增加密封唇的数量提高密封性能。例如，NSK开发了如图2所示的高密封性密封圈，其在现行三唇密封圈的基础上增加了挡檐，并优化了密封唇形状。但随着汽车在全球，特别是新兴国家的普及，汽车的行驶环境变得越来越复杂，在未铺装道路上行驶的概率大大增加。在车辆长期行驶在未铺装的泥泞道路上，或暴雨导致道路发生积水使水浸没过轴承等极端恶劣的路况下，可能会有微量水分侵入到轴承内部，导致轴承出现异响。因此，当水侵入到轴承内部时，如何确保轴承的耐久性显得越来越重要。

图2 轮毂轴承单元用高密封性密封圈

对于脂润滑轴承，水侵入导致轴承产生疲劳剥落的机理推论为：水分的侵入会减小滚动体与套圈之间润滑油膜的厚度，导致滚动体与套圈间金属发生直接接触而产生磨损；水分会使滚道面非金属夹杂物与基体间发生锈蚀，从而产生剥落；另外，水分分解产生的氢元素由表面渗入到金属内部，这将加速疲劳剥落的形成[5-6]。

但至今为止，上述推论的工业应用尚不多见。文中通过控制该机理的影响因素，改变现有润滑脂性能，开发出了耐水润滑脂，并已投入市场使用，结果表明，耐水润滑脂可达到延长侵水轴承寿命的目的。

2 试验

2.1 EHL油膜厚度的测量

油膜厚度使用图3所示的光干涉法油膜厚度测量装置进行测量。在旋转的玻璃盘下表面涂抹试验用润滑脂，在纯滚动的情况下进行测量，通过钢球正上方放置的CCD照相机拍摄钢球(φ25.4 mm)与玻璃盘之间形成的干涉条纹，最后计算出油膜厚度。测量条件：环境温度为室温，滚动速度为0.13 m/s，滑移率为0 ，载荷为39.2 N (pmax=0.5 GPa)。

图3 EHL油膜厚度测量装置

2.2 氧化膜的影响

为了防止水分侵入导致轴承滚道表面锈蚀及水产生的氢元素向基体内部渗入，可在油脂内加入促进在金属表面形成氧化膜的添加剂。试验采用图4所示四球试验机，以验证不同添加剂所形成氧化膜的厚度及对疲劳寿命的影响。试验条件：润滑脂中水的质量分数为20 %，pmax=4.1 GPa,转速为1 200 r/min。

3 试验结果及分析

3.1 水对油膜厚度的影响

选取3种不同特性的润滑脂，采用图3所示测量装置，在2.1节所述测量条件下，测量润滑脂无水和水的质量分数为20%时形成的油膜厚度。结果如图5所示。

图5 油膜厚度比与润滑脂中水分分散程度的关系

图5示出了油膜厚度比与水分在润滑脂中分散程度的关系。油膜厚度比是指在相同试验条件下，同一润滑脂有水侵入时与无水时所形成油膜厚度之比。试验表明，A和B脂中水分呈较大颗粒的水珠状，对油膜厚度没有明显的影响，而C脂中的水分则分散在油脂之中，对油膜厚度产生了较大影响。A和B脂具有将侵入其内部的水分汇集成大颗粒水珠的特点，大颗粒水珠较易从润滑脂中分离出来，不易侵入到油膜内部，故对油膜厚度影响较小。推测是由于A和B脂内部含有亲水成分，有将水分汇集成较大水珠的功能，但有待进一步研究验证。

3.2 氧化膜对寿命的影响

向A脂内分别加入添加剂D，E，F，试验结束后使用AES法测量所形成的氧化膜厚度，结果如图6所示。添加剂F在接触表面形成的氧化膜最厚，约为A脂单独形成氧化膜厚度的4倍。使用四球试验机在2.2节所述试验条件下进行了寿命验证试验，结果表明，较厚的氧化膜可有效延迟接触表面疲劳剥落的发生，显著提高轴承的使用寿命。图7所示为A脂及其加入添加剂F后的接触表面SEM照片，可以看出，加入添加剂F后在接触表面形成了致密的氧化膜。

图6 不同氧化膜厚度对轴承寿命的影响

图7 接触表面SEM照片

3.3 验证试验

验证试验对象为6017型成品轴承，同一种轴承装用不同的润滑脂进行试验。试验条件：转速为1 000 r/min，滚道面最大接触应力2.7 GPa，注水量约为4.3 mL/ h。试验结果如图8所示，可以看出，在润滑脂中混入水的情况下，新开发润滑脂(A脂+添加剂F)可使轴承的L50寿命延长约3倍以上。

图8 轴承寿命试验结果(Weibull图)

4 结束语

通过对水侵入情况下造成汽车轮毂轴承接触表面剥落影响因素的试验分析，开发了具有耐水性能的润滑脂。试验及实际应用表明，在水侵入的情况下，新润滑脂具有促使水分凝聚成大颗粒水珠、促进滚道面氧化膜形成的功能。通过维持油膜的厚度，避免滚道面锈蚀和氢元素的渗入，达到显著延长轴承寿命的效果。