摘　要：在概括汽车轮毂轴承零件常见失效形式的基础上，指出了轮毂轴承寿命的影响因素，并从材料技术、表面处理技术、深冷技术以及润滑和密封技术等方面综述了近年来提高轴承可靠性，延长轴承寿命的途径。
　　关键词：轮毂轴承；失效分析；寿命；影响因素；改进
　　汽车轮毂轴承的主要作用是承重和为轮毂的转动提供精确引导，既承受轴向载荷又承受径向载荷，其质量对整车质量有着重要影响。随着使用要求的不断提高，汽车轮毂轴承正朝着集成化、高性能、高可靠性和长寿命的方向发展。
　　轮毂轴承（以下简称轴承）寿命是评价轮毂轴承的综合指标，轴承的材料、设计和加工工艺、润滑方式、密封装置和使用条件（包括载荷、速度、温度和环境等）对轴承寿命和使用性能都有着不同程度的影响。轮毂轴承单元的使用寿命是由疲劳寿命、润滑剂寿命、密封件寿命等多种因素共同作用的结果。轮毂轴承单元的寿命Z终可通过在试验场进行的实车耐久试验结果确定。
　　1　影响轴承寿命的因素
　　汽车在运行过程中路况复杂，环境恶劣，轮胎与地面的作用使车轮既承受径向力又承受轴向力；当汽车在斜面上转弯时还受到轴向力产生的弯矩作用。因而，汽车轮毂轴承大都采用成对使用的向心推力轴承。通过失效分析发现，汽车轮毂轴承具有表面剥落、磨粒磨损、滚道和滚动体烧伤、点蚀等多种失效形式，其中轴承滚动接触表面诱发型失效是Z重要的失效形式，以内、外圈滚道表面及滚动体表面剥落所占比例Z高^[1]。影响轴承寿命的因素是多种多样的，所有安装、使用、维护和保养以及轴承材料的质量和设计制造过程都轴承的寿命有关。主要影响因素如下。
　　1.1 安装和使用
　　轴承的安装调整、维护和保养要符合规定的技术要求，轴承安装不合适会导致轴承各组成零件之间的受力状态不正常。特别是轴承游隙的调整，当轴承游隙调整不合适时，汽车在非平稳、转弯或侧倾运行时会导致某一单侧因承受过大的轴向载荷以及弯矩引起的过大径向载荷，出现严重的早期疲劳失效。
　　1.2 密封与润滑剂
　　汽车高速运行中，轴承运转过程中产生的磨粒及污泥等外界磨粒会侵入轴承滚道，润滑剂洁净度不高时，其中的微粒也会充当磨粒。磨粒颗粒较小时会在内、外圈滚道和滚动体表面产生擦伤；当颗粒较大或较硬时，磨粒磨损引起的过热将导致内外圈滚道和滚动体表面烧伤^[1]。因此轮毂轴承的密封质量、润滑剂和洁净度是影响轴承寿命的重要因素。
　　1.3 材料
　　轴承钢的洁净度和组织均匀性是影响轴承使用寿命的重要因素。轴承的疲劳剥落起始于钢中的夹杂物，特别是氧化物类非金属夹杂物是引起剥落的主要原因。氧化物型夹杂物在轧制等热加工过程中不延伸，与基体间产生空隙，是应力集中源，在表面层下Z大剪应力作用下，就会产生应力集中而加速疲劳破坏。图1是氧含量和非金属夹杂物对轴承寿命的影响^[2]。 　　国内对轴承零件的热处理一般都采用整体淬火和低温回火，这样可获得含有80%以上的马氏体、5%～15%的残余奥氏体及5%～10%的残留碳化物的混合组织，从而获得较好的力学性能^[5]。
　　1.6 表面层质量
　　轴承的主要失效形式是疲劳和磨损，疲劳和磨损均发生在接触表面和表面层，显然工作表面层的质量对轴承的可靠性和使用寿命是至关重要的。以轴承滚道表面层质量为例，研究表明滚道表面粗糙度值Ra在0.050mm时，轴承可达到合理的寿命^[6]。除表面粗糙度外，轴承滚道表面波纹度对轴承寿命也有影响。
　　1.7 表面残余应力
　　由于零件的疲劳失效出现在承受过大拉应力的时候，所以，当表面有较大残余压应力时，会抵消同等数值的拉应力，而使钢的实际承受拉应力数值减小，使疲劳强度极限值增高。当表面有较大残余拉应力时，会与承受的拉应力载荷叠加而使钢实际承受的拉应力明显增大，使疲劳强度极限值降低。
　　此外，装配过程中轴承零件表面出现刮伤、划痕也将影响轴承的使用寿命。
　　2　提高轮毂轴承寿命的途径
　　从轮毂轴承疲劳机理、失效形式等出发，针对上述影响轮毂轴承寿命的因素，可以采取相应的技术措施，以保证和提高轴承的疲劳寿命。
　　2.1 轴承安装、润滑及密封技术
　　由于轮毂轴承需要适应各种复杂路况及恶劣环境，因此轴承密封圈必须具备良好的耐热、防润滑脂渗漏、防泥浆和污水的性能；轴承对润滑剂洁净度及游隙调整要求也较高，因此可以采用自带密封圈密封、由轴承制造厂预先设定初始轴承游隙并完成添脂^[7]，省去人工外部安装密封圈、调整轴承游隙和手工添加润滑脂的步骤，不仅可使轮毂轴承安装方便，而且可以使轮毂轴承单元获得性能良好的密封装置和润滑脂，适应集成化和高可靠性的趋势。
　　2.2 轴承材料洁净冶炼技术
　　针对钢材的内在质量对轮毂轴承单元性能的影响，可通过以下两种途径改进轴承钢的性能：一是通过改进轴承钢的冶炼方法（钢包精炼、真空脱气）和制备工艺，以降低杂质和氧含量，改善夹杂物及碳化物的分布，从而提高钢的洁净度和疲劳寿命^[8]，特别用途时，还可采用真空重熔或电渣重熔^[9]。二是改进合金成分，提高基体强度。通过合金元素的Z佳化来强化材料的基体，防止或延缓组织变化的发生。如在GCr15的基础上添加Si、Ni而形成的GT钢，不仅提高了基体强度、韧性，同时提高了抗回火稳定性，在洁净润滑条件下轴承的疲劳寿命约为标准GCr15的6倍以上^[2]。
　　2.3 轴承毛坯冷辗扩技术
　　试验表明轴承套圈的疲劳剥落有91%都发生在表面有流线露头的地方^[10]，从使用情况看，轮毂轴承的疲劳也多发生在沟道处。为避免采用车削加工轴承套圈毛坯切断金属流线，造成沟道的疲劳剥落，可采用冷辗扩加工，使金属流线完整，材料致密度和耐磨性提高，从而提高轴承寿命^[8]。
　　但实际生产中的锻造单件辗扩工艺仍然存在着挤压成形毛坯质量差、生产率低、废品率高、材料利用率低等问题，如果借鉴或采用塔锻工艺，综合经济效益将是十分显著的^[11]。
　　2.4 轴承表面改性技术
　　轮毂轴承工作表面层的质量和表面残余应力是轴承的可靠性和使用寿命的重要影响因素，通过表面改性技术可提高轴承工作表面的耐疲劳、耐磨损等性能，从而提高轮毂轴承的疲劳寿命。
　　（1）渗碳或碳氮共渗
　　渗碳钢表面硬，心部韧，因而耐疲劳、耐磨损和耐冲击。特别是渗碳表层处于压应力状态，可有效地防止疲劳裂纹的扩展，非常有利于轴承寿命的提高^[12]。
　　（2）激光表面改性
　　通过激光表面改性后，可以得到具有非常高的硬度、强度、耐磨性、耐蚀性、好的表面粗糙度和长使用寿命的轴承零部件^[13-14]。
　　（3）离子注入
　　离子注入不仅可以大幅度提高零件耐腐蚀性能，耐磨损试验表明，经过离子注入，轴承零件耐磨性也可以得到提高^[15-16]。
　　（4）滚道电化学机械光整（ECM）加工技术
　　轴承滚道进行ECM加工可以提高轴承滚道表面质量，改善轴承使用性能、表面工作特性、表面耐磨性、接触刚度和精度保持性，克服油石超精加工的缺陷^[17]。
　　2.5 轴承深冷处理技术
　　深冷处理是热处理过程中的附加工艺，同时也是一种材料强化的新技术，其提高材料耐磨性等方面的明显作用已引起了人们的广泛关注^[18-19]，并且在提高刀具和模具使用寿命上的显著效果已得到证实。文献^[20]对深冷处理对GCr15钢性能影响的研究表明，深冷处理对GCr15钢相对耐磨性提高幅度可达13%～92%，深冷处理温度越低，变温速率越小，相对耐磨性提高越显著。文献^[21]指出，GCr15钢在采用淬火、回火后进行深冷处理（及附加消除应力回火），可使其强度、韧性及耐磨性均得到提高。
　　3　结束语
　　随着我国汽车产量和保有量的增加，轮毂轴承单元的需求量也在日益增大。轮毂轴承单元作为汽车的重要零部件，其质量对汽车整车质量的影响是显而易见的，因此对其性能要求越来越苛刻。如何提高轴承的可靠性、延长轴承寿命是一个永无止境的课题，鉴于深冷处理在提高刀具和模具使用寿命上的显著效果，结合深冷处理对提高GCr15钢性能作用的已有研究，今后将探索深冷处理在延长轮毂轴承疲劳寿命和可靠性方面的新技术、新工艺。
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