汽车变速箱轴承的长寿命技术

　　摘　要：对汽车变速箱轴承的各种失效形式进行了分析，指出异物油润滑的变速箱轴承失效是以压痕为起点的表面疲劳剥落。提出了提高变速箱轴承寿命的5种方法。
　　关键词：滚动轴承；汽车；变速箱；失效；寿命
　　上汽车工业在20世纪取得了突飞猛进的发展，仅1995年就生产汽车5000万辆以上，庞大的汽车市场和日新月异的汽车技术给轴承企业带来了巨大的机遇和挑战。汽车工业正向着安全性、舒适性、可靠性及经济性等方向发展，与此同时，汽车轴承也正向着单元化、轻量化、低噪声和长寿命的方向发展。
　　汽车轴承的种类和数量繁多，不同的部位和使用条件对轴承的要求各不相同，但轴承的寿命和可靠性是一个共性的问题，变速箱轴承在汽车中所占比例Z大，使用环境非常恶劣，寿命往往很短，因此变速箱轴承的长寿命技术是国外研究非常重视的领域。
　　在正常工况条件下，根据Lundberg和Palm-gren理论得到的计算寿命是可信的。但汽车变速箱润滑油中不可避免地混入齿轮啮合磨损产生的铁粉、磨粒等多种异物，而且轴承工作温度和转速比较高，使轴承的寿命显著缩短。如何延长异物油中的轴承寿命是一个非常重要的课题。
　　1　变速箱轴承的失效形式
　　汽车用轴承Z常见的失效形式为轴承滚道的疲劳剥落，根据剥落Z初发生的部位可分为表面起源的疲劳剥落和表面下起源的疲劳剥落。表面下起源的疲劳剥落多发生在环境清洁、润滑良好的轴承中，可以采用高纯度轴承钢，降低钢的含氧量及S、P等杂质的含量，使轴承寿命显著提高。表面起源的疲劳剥劳可分为以压痕为起点的剥落和油膜形成不良、表面粗糙引起的金属微峰接触为起点的疲劳剥落。以压痕为起点的疲劳剥落，多发生在异物油润滑的轴承中，这也是变速箱轴承的常见失效形式。由于润滑油中含有大量的齿轮磨损产生的铁粉和磨粒，使轴承的振动加大，温度升高，寿命降低。图1为NSK公司对排量为1.6L的轿车运行6000km后齿轮箱润滑油中异物种类及比例的测量结果。 　　2　异物润滑油环境下的轴承寿命
　　在异物润滑油环境下，异物咬入轴承套圈滚道表面后将出现压痕，压痕的周围表皮突起，产生应力集中，滚动体滚过时会加剧此处应力集中，由此产生裂纹并扩展直至剥落。图2为异物油中疲劳裂纹萌生、扩展的过程异物种类硬度的不同对轴承寿命的影响也不同。软质铁粉对寿命的影响较小；远比轴承钢硬的砂类异物使轴承磨损，但不影响疲劳剥落寿命；而与轴承钢硬度接近的硬质铁粉会大大降低轴承的寿命。异物的浓度和颗粒的直径直接影响着轴承寿命，异物浓度愈低、异物颗粒直径越小，轴承寿命越长。图3、图4和图5分别为NSK公司所做的6304轴承在F_r=500kN、n=2400r/min时，寿命与异物含量、异物颗粒直径和异物硬度关系的试验结果。 　　3　提高变速箱轴承寿命的方法
　　从以上的试验结果分析，可以找到延长寿命的方法。（1）开发比硬质异物更硬、比轴承钢的金属组织更硬的材料，以降低异物硬度对轴承寿命的影响。（2）采用新的热处理工艺提高轴承滚道容纳异物的能力，降低轴承对异物的敏感性。（3）防止异物侵入轴承，即采用密封轴承。
　　3.1 轴承钢表面的碳氮共渗
　　普通的轴承钢轴承在异物油中的寿命比计算寿命短得多，我们可以对轴承表面进行碳氮固溶强化处理以延长疲劳寿命，轴承钢表层含碳量、含氮量的增加一方面使表面硬度提高，加强了表面抵抗异物的能力；另一方面表层在热处理后形成了压应力，降低了轴承对裂纹的敏感性，有利于防止裂纹的扩展，对提高轴承寿命非常有利。轴承钢表层碳氮含量的增加并非与轴承寿命成正比，太高太低都达不到预期的效果，试验证明轴承钢表层含碳氮的质量分数达到0.8%时可获得Z佳寿命，比普通热处理的轴承寿命提高1倍。试验结果如图6所示。 　　3.2 适当控制轴承表面残余奥氏体的含量
　　轴承滚道表面的残余奥氏体可以提高轴承寿命，因为残余奥氏体组织比较软，易起塑性变形，可以使滚道表面压痕边缘的曲率半径加大而减小应力集中，从而降低了轴承对异物的敏感性，起到了缓和应力集中及抑制裂纹扩展的作用，由异物引起的压痕边缘突起高度会随着应力循环次数的增加而逐渐地降低。轴承表层残余奥氏体含量太低起不到应有的作用，太高又会大大降低轴承的硬度，含量控制在15%～25%为Z佳，这时轴承寿命可以提高到原来的4倍。
　　3.3 贝氏体淬火
　　轴承钢的贝氏体淬火明显优于马氏体淬火，具体表现在：
　　（1）贝氏体组织韧性好、耐冲击，可以防止裂纹的萌生和扩展。
　　（2）贝氏体淬火后表面产生压应力，壁厚越大产生的压应力也越大。
　　（3）贝氏体磨削时不易产生烧伤。
　　在淬火中贝氏体很难完全达到，经常为马氏体和贝氏体的混合物。奥氏体向贝氏体的转变是在某一范围内进行的，在GCr15中把Mn的含量增加到1%，可以使产生贝氏体的时间延长一倍，得到更多的贝氏体组织。贝氏体淬火后的硬度为58～60HRC。
　　3.4 高性能轴承钢
　　在异物混入特别严重的环境中，为了保证轴承的长寿命，须开发替代轴承钢的新一代材料。NACHI的MT21钢和NSK的HI.TF、Super TF钢都是在这样的背景下开发的。在MT21中主要添加了Si、Cr和Mo，在Super TF中添加了Cr和Mu，从而增加了钢的硬度、耐磨性和耐热性。新的钢种再结合以上提到的表面进行碳氮固溶强化，形成组织均匀的微细碳化物和氮化物，适当控制表层残余奥氏体的含量，使轴承寿命大大增加，MT21钢轴承寿命可以提高到原来的5倍，而Super TF钢轴承的寿命是原来的10倍。
　　3.5 密封轴承
　　使用脂润滑密封轴承，可以防止润滑油中的异物进入轴承内部，同样能达到延长寿命的目的。开发在高温齿轮箱润滑油中长时间工作的橡胶材料和具有良好密封效果的密封构造便成为了首要课题。
　　（1）密封材料密封材料必须和变速箱润滑油脂及各种添加剂具有良好的适应性，另外由于变速箱轴承有日趋高温化的趋势，因此密封圈必须在Z高温度及超越Z高温度20℃的环境下具有良好的性能。丙烯酸橡胶是Z好的选择，其适用温度为-30～180℃，耐油耐脂性良好，价格为丁睛橡胶的两倍。表1给出了丁睛橡胶、丙烯酸橡胶、硅橡胶和氟橡胶与润滑脂之间的适应性。 　　（2）密封构造
　　图7给出了球轴承的密封结构图，在密封圈唇部设置了主唇和副唇，内圈密封沟槽为U字形，密封槽与密封圈的主唇和副唇形成了两处迷宫，粗大的异物颗粒不致于直接影响主唇的构造，主唇在高温或低温、高速或低速及轴向载荷变化时，均能稳定地与内圈密封接触。一般密封轴承的寿命是开式轴承的3倍，如果密封轴承采取本文提到的碳氮共渗，控制奥氏体含量等措施，寿命可提高到开式轴承的10倍以上。 　　3　总结
　　随着汽车无故障运行保证期的提高，轴承也正向着长寿命化发展，国外各大公司在这方面做了大量工作。本文系统研究了异物油润滑条件下变速箱轴承的寿命问题，指出异物油润滑的轴承失效是以压痕为起点的表面疲劳剥落，找到了提高变速箱轴承寿命的5种方法：（1）轴承表面碳氮共渗；（2）适当控制表层残余奥氏体的含量；（3）采用贝氏体淬火方法；（4）采用新的轴承材料；（5）改用密封轴承。