汽车圆锥滚子轴承内圈支承面制作的优化实验

卢彦群　赫明月　侯建伟　乔洪超

摘 要：文章描述了一种汽车轴承的轴承内圈支承面制作的优化方法，并进行了实验研究。实验结果表明，利用新的工艺路线加工的轴承，具有良好的使用性能和较长的使用寿命，能够满足汽车工业中最苛刻的使用要求。关键词：轴承;功能表面;轴承寿命;滚子;滚道;微观几何结构中图分类号：U466  文献标识码：B  文章编号：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

滚动轴承是汽车中的一个重要部件，它的工作状态和使用寿命对某些总成件的机械性能起着决定性的作用。然而，汽车滚动轴承的工作环境比较恶劣，振动、噪音、润滑脂变质或滚子表面疲劳剥落等因素，都直接影响着滚动轴承的工作状态和使用寿命。

为了让轴承在恶劣的工作环境下可以正常工作，并保证其使用寿命。许多技术员和研究者都参与了轴承性能的提高和改进的工作[1-5]，这些研究中研究者更多关注的是提高轴承的某一特殊性能，比如热处理材料、更高的运行精度、优化的表面。但实际上轴承的功能表面的微观幾何结构对轴承的工作状态和寿命也有着十分重要的影响[6-8]。因而，对圆锥滚子轴承的功能表面的微观几何结构的研究就显得至关重要。

2 汽车圆锥滚子轴承预期微观几何结构试验研究

2.1 实验前期准备

汽车圆锥滚子轴承（以下简称轴承）制造过程中时获得的微观几何结构，包括表面粗糙度、波纹度和功能表面的圆度等[9-15]，在很大程度上影响着轴承的摩擦状况。其中最重要的影响因素是内圈支撑面与圆锥滚子的大锥面及其所具有微观几何结构特征[16]。

如果忽视轴承的微观几何结构特征，则会丧失滚动或滑动的有效工作区域，甚至会导致危险的“边界接触”。一旦出现边界接触，轴承就会很快报废，最终导致整个设备的使用寿命的终结。

在汽车差速器的实际应用中，圆锥滚子轴承内圈支撑面与滚子大锥面的粗糙度为Ra=0.04μm。在其他场合用到的标准轴承，其粗糙度在0.16至0.20μm之间[17]（图1所示为用Talysurf轮廓仪测量粗糙度），也就是说，其粗糙度是差速器轴承粗糙度的5倍。

通常情况下，无法通过普通的磨削来达到Ra=0.04μm的粗糙度，必须采用更加科学的加工工艺来实现。此类轴承的名称除包含轴承的标准标记外，还包含符号“CL7C”，它表示这些轴承无需任何磨合，就可以承载足够的摩擦力矩，也就是说，这些轴承初始运行就可以加载到最大负荷，且不会出现损伤或卡滞。

正如先前所述，内圈支撑面和圆锥滚子大锥面的加工质量及其在这些表面上达到的显微几何特征，对此类支撑具有重要的影响。在系列化生产中，CC公司生产的轴承可以满足圆锥滚子轴承所需的其他参数标准，但由于缺乏对内圈支撑面进行超精加工设备、技术和优化工艺，目前还无法生产满足汽车变速器和差速器所采用的执行CL7C标准要求的轴承[18-20]。

但是，对许多公司来说，非常希望为客户提供执行CL7C标准的轴承，但他们无法用现有加工方法来满足用户所需的质量参数，只好通过轴承磨合来代替超精加工，这样会非常耗时，价格昂贵，且需要专门的测试站来完成这种磨合，大大提高了制造成本，同时也给用户带来不便。

针对这种情况，我们提出：通过选择合适的机床和磨具，尤其是合理的工艺参数等措施，改善轴承承载表面的微观结构，使轴承一次性满足CL7C标准，并在各环节做了周密、细致的相应准备。实验选择在CC公司进行，以帮助解决制造高精度轴承的问题。

2.2 实验主要设备及其参数

我们使用的实验方法是通过“修正轴承部件的功能表面”的制造技术来制造质量更好的轴承，以满足应用需求。

首先，选用高精密机床：图2为研磨机在进行超精加工，从中可以看到被加工的轴承内圈，右侧是研磨砂轮，该机器为德国进口的超高精密机床，型号为SW?AGL125 PC 610，精度等级可达12。

其次，选择超精加工磨具：选择德国HERMES品牌的氮化硼（CBN）砂轮，型号为200×8×51 3CBN3 150 K9 VEZ 1，其粒度W=40～50，硬度为Y1级，粘合剂为特种树脂，最高加工精度可达Ra=0.008μm。

再者，加工过程由一位实践经验丰富的高级技师实施：通过娴熟的技能、超精的设备和细致的操纵进行加工作业。

第四，采用合适的其工艺条件：

——切割速度：50 m/s;

——转速：4500rpm;

——工作主轴转速：1000rpm;

——标准轴承的磨削公差：0.2-0.35 mm;

——优化轴承的磨削公差：粗加工：0.2-0.35 mm，精磨：0.03-0.05 mm。

磨削后的质量参数要求如下（见图3）：

——标准轴承支承面粗糙度：Ra=0.20μm;

——优化轴承的支承面粗糙度：Ra=0.04μm;

——支撑面相对于基础面的轴向摆动：标准轴承：0.005 mm，优化轴承：0.002mm;

——标准轴承支承面角度公差：20′;

——优化轴承支承面的角度公差：10′;

——支承面表面不得重新加热;

——支承面轮廓（图示部分）必须为凸出0.002mm。

与CC公司现有技术相比，实验获得了预期的结果，即：轴承的主要功能表面（内圈大锥面和圆锥滚子大锥面）的粗糙度达到了Ra≤0.04μm的优化目标。

3 实验及结果分析

虽然从粗糙度来讲，优化轴承达到了CL7C的基本指标，但其实际运行性能，需要用以下两项实验来验证：

3.1 基本载荷动力学实验

选用20个优化轴承，逐一安装在实验室测试台的枢轴上，模拟它们在重量为1t的轿车上的运行条件进行试验，结果表明这些优化后的轴承在实验中百分百满足基本动载荷要求的承载能力，这意味着基于加工工艺视角提出的优化方案是正确的。

3.2 摩擦力矩实验

对优化轴承进行的另一项试验是测量摩擦力矩，使用的试验台可满足4个轴承的同时试验。

标准轴承摩擦力矩检测结果见表1，其演变过程如图4所示;优化轴承摩擦力矩检测结果见表2，其演变过程如图5所示。通过实验，发现未经优化的标准轴承的最大载荷为Famax=63000N。

对于标准轴承，首先在载荷Fa=9000 N的情况下对轴承进行24 h的磨合。然后按照表1逐渐进行加载。每10分钟增加一次负载，并读取摩擦力矩：

——首次测量：将负载增加到Fa=18000N，20分钟后测量， 摩擦力矩为3.1Nm;

——第2次测量：将负载增加到Fa=27000 N，30分钟后测量，摩擦力矩为3.4 Nm;

——第3次测量：将负载增加到Fa=36000N，40分鐘后测量，摩擦力矩为3.6Nm;

——第4次测量：将负载增加到Fa=45000N，50分钟后测量，摩擦力矩为4.0 Nm;

——第5次测量：将负载增加到Fa=54000 N，60分钟后测量，摩擦力矩为5.1 Nm;

——第6次测量：未能成功测量，因为尝试在54000 N负载的基础上继续加载后，轴承卡死。

图4清楚地表达了标准轴承摩擦力矩演变的过程：在轴承运行至第50和第60分钟之间时，摩擦力矩曲线急剧变化（恶化），很有可能会出现故障。

对优化轴承测试时，在一开始的1min内以最小力（Famin= 2300N）加载，且在1min时测得的摩擦力矩为1.3Nm。在此后的45s内，将力加载到根据计算可以承受的最大载荷——Famax=63000 N，实验过程中，没有出现额外的温度升高，最高工作温度为65℃，噪声也未增大，也没有探测的振动。然后按计划（表2）逐步进行试验，在Famax=63000 N的最大载荷下，每10分钟读取一次摩擦力矩：

——首次测量：10分钟后测量， 摩擦力矩为4.8Nm;

——第2次测量：20分钟后测量，摩擦力矩为4.5 Nm;

——第3次测量：30分钟后测量，摩擦力矩为4.6Nm;

——第4次测量：40分钟后测量，摩擦力矩为4.5 Nm;

——第5次测量：50分钟后测量，摩擦力矩为4.5 Nm;

——第6次测量：60分钟后测量，摩擦力矩为4.4 Nm。

图5所示的优化轴承摩擦力矩的演变过程清楚地显示出，在以Famax=63000N的最大载荷加载后，其摩擦力矩很快达到4.8Nm，这是正常现象;然后在1h内，摩擦力矩摩擦基本恒定，或者有轻微下降的趋势。此摩擦力矩的演变与CL7C和CL7A系列轴承摩擦力矩的演变过程完全一致，因此，证明优化后的轴承可以应用于在汽车工业中最苛刻的安装要求场合。

观察图4及图5并对其进行比较，会立刻看出轴承优化前后的质量区别。

对标准轴承，在经过24h的最小载荷Fa=9000N磨合后，其后，轴承以10分钟的时间为间隔，逐渐提高加载水平。即使经过这种预备性试验，标准轴承也没有达到它们应该承受的最大负荷。随着载荷逐渐增大，其摩擦力矩也逐渐增大，而50min后，摩擦力矩开始急剧提高，温度上升，噪音增大，振动加剧，最终轴承卡死停转。

对于优化轴承，需经过1分钟短时间的、在最小负载力Famin=2300 N作用下的优化运行，以确保轴承部件的正确安装，之后，立即从最大负载力Famax=63000 N（根据计算，轴承应能承受该负载）开始加载。之所以选择这样“激进”的实验模式，是因为这些轴承是对安装要求最苛刻的轴承（比如，差速器、变速箱、车轮驱动总成等），而且在实际场合也承受这样的负载。其摩擦力矩曲线在最大载荷后达到最大值4.8N m，但之后不再增加，且具备保持不变，甚至略有下降的趋势。当轴承在最大载荷下表现出这样的性能时，就可以肯定它们适用于要求最苛刻的安装场合，因为这些载荷是变化的，自然不会永久持续最大值。

4 结论

本文描述了汽车圆锥滚子轴承一种轴承内圈支承面制作的优化方法并进行了实验研究，得到以下结论：

（1）对利用新工艺加工的轴承进行了基本载荷动力学实验和摩擦力矩实验，证明优化后的轴承可以应用于汽车工业中最苛刻的使用工况;

（2）可一次性制造出具有所需表面微观结构的轴承，避免了通过传统的、长时间的、昂贵和低效的磨合来实现同一目的;

（3）研究成果对实际的汽车轴承制造有一定的指导意义，实验结果也完全可以推广到其它定制轴承以及系列軸承的制造中。

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