不同温度下润滑脂对轮毂轴承疲劳寿命的影响

钱培庆，李兴林，周旭，黄德杰，刘建龙

（1. 上汽大众汽车有限公司，上海 201805；2.杭州轴承试验研究中心有限公司，杭州 310022；3.机械工业轴承产品质量检测中心（杭州），杭州 310022；4.浙江万向精工有限公司，杭州 311215；5.中国石化润滑油有限公司润滑脂研究院，天津 300480）

目前，因对润滑脂实际应用工况了解程度有限，知名润滑脂制造商对新润滑脂研发工作主要集中于研究其理化性能，依据石油化工行业测试标准研究其物理性能的变化程度[1－2]，从而确定产品的性能指标。近年来，高端轴承客户与终端乘用车客户基于轮毂轴承润滑脂使用中发现的应用问题，如高温、污染、异常白色组织剥落、泄漏、微动磨损等导致轮毂轴承寿命急剧下降，逐步形成了润滑脂综合性能评价新标准，其中最典型的是由FAG公司拟定的润滑脂FE9寿命试验标准[3－4]，其采用标准轴承在不同温度下进行润滑脂寿命评价，该试验系统也被润滑脂公司采用。而文献[5]研制的润滑脂寿命试验系统也被国内润滑脂公司采用。

轮毂轴承安装于整车制动总成上，服役过程中承载、传动与制动工况会引起滚道温升，在不同温度下轮毂轴承表现出不同的寿命特征[6]，对应用需求有重大影响。现通过改变润滑脂环境温度，研究既定工况下轮毂轴承润滑脂的寿命特征，分析其物理性能、温度工况、寿命特征与失效模式之间的规律。

1 寿命试验

1.1 润滑脂

依据稠化剂类型，选取应用于轮毂轴承中较典型的2种润滑脂——复合锂基脂和聚脲脂（牌号分别为051＃和027＃）进行研究，其理化指标见表1[7]51。相关检测标准为：ASTM D217《润滑剂针入度的测试方法》，ASTM D566《润滑脂滴点测定法》，ASTM D1478《滚珠轴承润滑脂低温转矩测定法》，ASTM D2596《润滑脂极压性能测定法》，IP 121《润滑脂在贮存期间分油量测定法》，ASTM D942《氧弹法测定润滑脂氧化稳定性的标准试验方法》，ASTM D4048《润滑脂铜片腐蚀试验法》，ASTM D4170《润滑脂对微振磨损保护性的试验方法》。

表1 2种润滑脂的理化指标Tab.1 Physicochemical indexes of two greases

选择稳定控制沟道预载荷的第3代轮毂轴承作为试样（图1），该轴承为双列背靠背角接触球轴承（尺寸为φ88 mm×φ27 mm×48 mm），外圈、凸缘材料为1055钢，内圈、钢球材料为52100钢。为可靠评价试验轴承寿命，对与其相关的指标进行严格控制，控制指标如下：轴向预载荷为2.0～2.5 kN；2列沟道接触角为35°±3°；每列沟道填脂量为5 g；4个沟道的圆度均不大于3μm，表面粗糙度Ra值不大于0.10μm；钢球表面粗糙度Ra值不大于0.02μm，形状误差不大于0.25μm；总成凸缘跳动不大于0.02 mm。

图1 试样结构Fig.1 Structure of sample

不同温度下每种润滑脂试验4套试样，分成6组（A～F组），试样总数为24套，试样分组见表2。

表2 试样分组Tab.2 Grouped samples

1.2 试验方法

采用双工位高低温耐久性试验系统开展轴承寿命试验，环境箱温度可实现恒温控制，偏差不大于10℃。试验原理图如图2所示，轴承凸缘与主轴连接，实现轴承旋转（内圈旋转，外圈固定）工况模拟，外圈与L形加载力臂连接，通过轴向和径向加载机构实现对轴承施加径向载荷Fr与轴向载荷Fa，加载半径R和偏距ET与试样的实际装车特征一致。

图2 试验原理图Fig.2 Schematic diagram of test

采用欧洲路况采集统计的AK45载荷谱[8]6进行强化耐久性试验，所有试样均试验到失效停止。采用1个振动加速度传感器、2个非接触式红外测温仪分别监测试样的振动水平（轴向和径向）、环境箱温度和外圈表面温度。设置振动加速度值的2倍初始值为报警极限，采集温度是为了间接反映沟道润滑脂的工作温度。

2 结果与分析

2.1 寿命试验结果及可靠度分析

轴承寿命试验结果（循环次数）见表3。

表3 轴承寿命试验结果Tab.3 Life test results for bearing

轮毂轴承疲劳寿命特征服从Weibull分布，大部分汽车公司均采用Weibull分布[9]来评价轮毂轴承的寿命。不同温度下轴承寿命的Weibull可靠度分析结果如图3所示，从中得到轴承可靠度寿命和形状参数B见表4。

图3 试验寿命结果Fig.3 Test life results

表4 轴承可靠度寿命和形状参数Tab.4 Reliability life and shape parameter of bearing

由图3、表4可知，轴承工作寿命随环境温度升高而下降，在20℃下，聚脲脂L10（90%可靠度）寿命比复合锂基脂的高54%。由表1可知，聚脲脂的使用温度范围和微动磨损性能优于复合锂基脂，但烧结载荷远低于复合锂基脂，承载性能相对较差（承载性能主要受添加剂的影响）。与复合锂稠化剂相比，聚脲稠化剂可以在沟道及钢球表面形成良好的物理吸附层，起到补充和增大接触区润滑膜厚的作用，因此，20℃时聚脲脂工作寿命更长。但是，当环境温度超过50℃时，在试验载荷的作用下，轴承内部温度达到102℃以上，2种润滑脂中的基础油开始发生氧化变质，导致其润滑性能下降，寿命缩短。尤其环境温度超过80℃时，轴承内部温度达到146℃，接近润滑脂的极限工作温度，寿命大大缩短，L10寿命仅为20℃时的3%～5%。此外，随环境温度升高，轴承寿命稳定性有所下降，但其形状参数均大于3，反映了产品仍具有较高的质量一致性[9]。

2.2 环境温度与寿命关系

试验中温度平均水平见表5。由表可知，在3种环境温度下，既定载荷工况下6组试验轴承表面温升均为40℃左右。

表5 试验过程温度水平Tab.5 Temperature levels during test

环境温度与轴承寿命的关系如图4所示，分别拟合2种润滑脂的环境温度与寿命的关系曲线，得到图中的二次函数式，即润滑脂与环境温度的预测函数模型。

图4 环境温度与轴承寿命的关系图Fig.4 Relationship between environment temperature and bearing life

3 失效模式分析

试验结束时，试样的失效模式见表6，特征图如图5所示。

表6 试样失效模式Tab.6 Failure modes of samples

图5 试样典型失效特征图Fig.5 Typical failure characteristic diagrams of samples

所有试验轴承均为同批次，经检测其轴向预紧、接触角、沟道尺寸与形位公差、沟道表面硬度与热处理水平、材料纯净度水平均一致，这些因素不会引起6组轴承的工作寿命差异。

6组轴承寿命差异源于工作温度对润滑脂性能的影响，轴承在3种环境温度下工作，外表面温升达40℃，E，F组轴承润滑脂的工作温度达到140℃，接近润滑脂的工作极限温度。观察试验后的润滑脂，A，B组润滑脂仍保持新脂颜色，具有较好的润滑效果；C，D组润滑脂颜色暗淡，发生了部分氧化质变；E，F组润滑脂严重发黑，已发生严重的氧化质变。

选取试验后典型剥落试样，沿剥落中心剖切，进行金相分析，结果如图6所示。由图可知：A，B组试样中凸缘与钢球均为正常疲劳剥落，有明显的黑色疲劳组织；C～F组试样中钢球均属于异常剥落，无黑色疲劳组织，剥落钢球次表层有白化氢脆组织，这是因为在高温及AK45载荷工况下，润滑脂在接触区不易形成良好的润滑膜，随着时间延长，润滑膜逐渐破裂，导致接触区形成新鲜金属表面，新鲜金属具有较强的化学活性，与润滑脂发生化学反应产生氢离子，氢离子渗入承载钢球次表层形成白色氢脆组织，进而引发脆性剥落。

图6 剥落试样的金相组织Fig.6 Metallographical structures of spalling samples

通过失效分析可知，在高温和AK45特定载荷谱下，轴承寿命大幅下降与润滑脂质变有直接关系。

4 结论

1）在20℃下，聚脲型润滑脂寿命比复合锂基脂的高54%，轴承失效形式为正常的接触疲劳。

2）环境温度超过50℃时，2种润滑脂寿命相近，润滑脂因高温分解导致轴承沟道发生异常白色组织剥落，温度越高，反应越剧烈，寿命越短。