影响汽车发电机轴承使用寿命的主要因素分析及改进

汪凯

摘 要：该文汽车发电机轴承为研究对象，通过对影响该类轴承使用寿命的分析，提出对其进行结构的优化及热处理加工工艺的改进来满足高端汽车客户对轴承使用寿命的要求。

关键词：汽车发电机轴承 密封 结构 使用寿命

中图分类号：TM316 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）01（a）-0103-01

随着汽车性能的不断提高，对汽车发电机轴承的性能有更高的要求，尤其是高转速、变速变载、高低温环境、高密封性能以及低的启动和旋转力矩、高可靠性等要求。目前，国内轴承产品质量水平与国外相比主要问题有密封性能较差、产品可靠性不高，难以满足国内外整机厂的要求，国内生产的汽车发电机轴承仅仅是以售后维修市场为主。而要满足汽车整机厂的要求，对汽车发电机轴承的使用寿命的研究显得极为迫切，该文主要讨论从轴承参数设计、轴承加工工艺上方面的改进来提高发电机轴承的使用寿命。

1 汽车发电机轴承结构设计的改进

为满足汽车发电机轴承高密封性能及高可靠性的要求，对发电机轴承做如下改进：（1）轴承套圈沟曲率半径的结构参数进行优化，以保证轴承在安装使用中在一定的径向游隙时有较小轴向游隙，这样可以降低轴承本身的旋转力矩，减少轴承内部摩擦；一般取内圈沟曲率系数取0.505，外圈沟曲率系数取0.525，这样设计沟曲率既能满足套圈沟道对钢球的包裹性，又能减小产品的轴向窜动；（2）密封结构的优化，发电机轴承从启动开始从0转速直到20000转高速，转速范围较大，并且有时还要在极短的时间内达到一定高的转速，也就是说需要承受较大的加速度。同时要保证不能漏脂、并尽量减小摩擦力矩，因此此类轴承即需要有高速性能，有需要有较好的密封性能。因此，设计了图二的改进后的密封结构。

改进后的密封结构特点是密封唇颈较窄，能有效降低摩擦力矩，满足高速性能要求，密封唇采用三唇结构，能有效的阻止灰尘、水汽进入轴承内部，又能起到防止漏脂作用。相比下改进后的结构比改进前的结构密封性能更好，扭矩更轻，更适合高速旋转。

2 热处理工艺的改进

轴承钢热处理后其内部组织直接影响轴承的使用寿命，当高碳钢淬火时获得中隐晶马氏体时轴承零件才可能获得抗失效能力最佳的基体，同时还要控制组织中的残余奥氏体的含量。通过分析，多次试验可以知道，降低残余奥氏体的方法如下：（1）采用二次回火或多次回火，在生产过程中可以增加磨加工工序间的回火，每次磨加工后进行一次回火，使套圈组织更稳定。这是因为残余奥氏体热稳定性较差，回火使其转化为热稳定性更强的马氏体，多次回火可使残奥充分转变为马氏体。（2）冰冷处理（-120 ℃冰冷处理）：冰冷处理使大部分残奥转化为马氏体，使套圈更稳定。（3）选择合适的淬火温度：通过反复试验及分析得出轴承钢的淬火温度控制在850 ℃为宜。否则残奥含量大增，且马氏体组织粗大。因此，热处理过程中应选用合适的淬火介质，增大冷却速度。

磨加工过程中附加回火，在循环一次磨加工后，采用150 ℃附加回火，消除磨削过程中产生的附加应力（淬火后的套圈内存有应力；粗磨时切去最外层金属，引起内应力重新分布而发生变形；粗磨时磨削力和磨削温度高，工件容易产生弹性变形和热变形，通过附件回火进一步控制和稳定残余奥氏体，使得轴承的尺寸稳定性更好。试验证明，没有进行真空淬火+附件回火的产品在磨削过程中其变形量增加30%。因此对于高精密轴承热处理工艺直接影响产品的加工尺寸的稳定性及轴承安装使用寿命。

3 沟道表面硬化工艺的处理

众所周之，轴承套圈在加工过程中，由于磨削热而不可避免要在表面产生磨削变质层，这些变质层厚达2～3 μm左右，变质层可使沟道表面硬度下降，而且是拉应力层，易产生疲劳裂纹，这对轴承的疲劳寿命和可靠性大大不利。因此，在一般的磨加工中，套圈已加工表面会出现残余拉应力，而且比较难控制，为此提出轴承沟道表面强化研磨的新加工方法，运用该方法能够改善套圈表面性能，生产出表面具有有利的残余压应力的套圈，延长其疲劳寿命。

使产品表面具有压应力的方法有几种，（1）采用把强化研磨料（由圆形陶瓷球、强化液和研磨液组成）喷射产品表面，撞击产品表面来产生压应力；（2）采用液泡震荡的方式与套圈一起震荡，来撞击套圈沟道表面，使沟道表面层发生弹塑性变形，引起强化层亚晶粒细化、位错密度增加，撞击的实质是由于强化研磨料尤其是研磨粉与沟道产生切向运动使沟道表面上产生摩擦和微切削，从而产生研磨加工，同时还可以达到降低表面粗糙度的效果。

针对沟道表面没有进行硬化加工的与进行硬化加工的零件进行表面压应力测试，经过强化处理的零件表面压应力的数值比没有处理的高出2倍多，并对其进行装机试验，经过强化的产品比没有处理的寿命提高60%以上。因此，套圈沟道表面硬化也是高速精密轴承加工中必不可少的一道工序，而一般轴承则无需此工序。

4 结语

通过对影响汽车发电机轴承使用寿命的因素分析，优化此类轴承结构设计，改善热处理工艺，控制轴承钢热处理后的内部组织，来提升发电机轴承的使用寿命。另外，为了更能适应高低温、高速、变载可进一步对其磨加工、尤其是超精工艺的研究，来进一步提升此类轴承的使用寿命。同时也可为其他领域的使用条件苛刻的轴承上起到借鉴作用。

参考文献

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