轮毂轴承密封失效分析

黄德杰，李兴林，周旭

(1.浙江万向精工有限公司, 杭州 311215；2.杭州轴承试验研究中心有限公司，杭州 310022)

轮毂轴承密封设计需考虑密封结构、橡胶材质、橡胶与接触金属表面特性、填充润滑脂类型等因素，基于多因素所形成的流体动压润滑很难通过设计方法(如有限元法)得到精确模拟[1-2],法国HUTCHINSON、日本UMC、日本NOK等国外知名密封制造商均通过密封试验来评价密封设计的优劣。当前密封试验多停留在“通过”与“不通过”的简单评判，对轮毂轴承密封失效分析缺乏一套系统的方法，使密封失效后的改进设计盲目而低效[3-4]。密封试验后的失效分析同样重要，鉴于此，提出一种准确有效的密封失效分析方法，为密封优化设计提供参考。

1 轮毂轴承密封结构

轮毂轴承密封一般由静止部分与旋转部分构成一对摩擦副，该摩擦副为密封橡胶表面与金属表面之间的滑动摩擦，在滑动表面填充润滑脂可降低摩擦因数,轮毂轴承的5种常见密封结构如图1所示[5]。

图1 轮毂轴承密封结构

第1代轮毂轴承内、外密封一般采用I，II或III型密封；第2代轮毂轴承内密封一般也采用I，II或III型密封，外密封采用端盖密封；第3代轮毂轴承内密封一般也采用I，II或III型密封，外密封一般采用IV，V型密封。随着主机厂对密封结构密封性能要求的不断提高， I 型与IV型密封结构逐渐被II，III与V型密封结构替代。

2 失效分析信息采集

为分析密封失效原因，首先对密封使用工况条件与结构参数进行分析，并采集信息。

2.1 工况条件

工况条件是密封失效的外因，包含安装条件与使用条件2个方面。

密封圈安装条件有2个关键项：安装过盈量与压装平行差。安装过盈量为密封圈骨架直径与轴承零件密封口径之差，过盈量过小，易引起泥水渗入，过大易引起骨架塑性变形。压装平行差为密封圈压装时相对定位端面的平行程度，平行差偏大，易导致密封圈橡胶唇在圆周方向配合不均。

密封圈使用条件有2个关键项：轴承预紧与使用环境。预紧不足，会使轴承在使用过程中产生松旷，导致密封唇口失去密封效果。密封圈长期处于泥水工况，增大了密封失效的风险。

以第3代轮毂轴承单元(内密封采用Ⅱ型密封结构，外密封采用Ⅴ型密封结构)为例，轮毂轴承结构如图2所示，工况条件见表1，A1～A5为密封圈安装条件，B1～B3为轴承预紧条件，B4为环境条件。

图2 轮毂轴承结构

2.2 密封结构参数

若进行密封失效分析，必须对密封结构设计参数进行分析，评估密封结构设计能否满足使用要求。轴承内、外密封的主要结构参数如图3所示，包括密封唇口直径、轴向伸长量、厚度、张角、位置角、橡胶腰部厚度。

表1 工况条件

图3 内、外密封主要结构参数

密封圈结构参数、唇口过盈量与密封橡胶表面的接触压力存在直接关系，这是密封设计的关键。通过结构参数推导出密封唇的过盈量如下：

内主唇1过盈量为

δi1=|L2-i2|/2,

(1)

内主唇2过盈量为

δi2=|L2-j2|/2,

(2)

内侧唇过盈量为

δi3=|k2-g2|,

(3)

外侧唇1与外侧唇2过盈量为

δo1=|g2-L2-M2|,

(4)

外主唇过盈量为

δo2=|N2-k2|/2。

(5)

3 失效分析方法

以第3代轮毂轴承为例，轴承密封失效后，结合相关检测进行诊断分析。

3.1 轴承零件配合分析

针对失效样件，首先观察外观，通过痕迹分析轴承与周边零件配合紧密程度。第3代轮毂轴承与周边零件的配合面包括：与芯轴配合的内圈端面P、与螺栓配合的内凸缘端面Q、与制动盘配合的内凸缘端面R、与悬架配合的外圈端面S(见图2中P，Q，R，S)。对异常打滑痕迹进行记录，若发现某配合对有打滑痕迹，应采用千分表或位移传感器进行凸缘偏摆测试，分析轴承是否发生松动。

内密封结构露于表面，通过千分表或高度仪测量内密封相对内凸缘端面R平行差，外密封相对外圈端面S平行差在拆解清洗后测量。通过高度仪测量内密封组件上2个零件的轴向相对位置，以确定使用过程中是否发生错位，定义：与内圈相配合的密封骨架相对于与外圈配合的密封骨架向外偏出量为-δ，与内圈相配合的密封骨架相对于与外圈配合的密封骨架向内偏入量为+δ。

3.2 诊断

拆解轴承进行诊断，观察轴承内、外侧滚道油脂颜色、内外侧密封唇口污染程度、内外侧密封口径锈蚀情况，做出以下判断：

1)油脂颜色呈乳白色或棕黄色，并伴有凝结水珠，表明有泥水侵入(图4)；

图4 滚道进水状态

2)密封橡胶处污物较多，靠近滚道侧密封橡胶处污物呈棕黄色，表明泥水从密封橡胶处侵入;

3)密封圈骨架与轴承零件密封口径配合处锈蚀，表明泥水渗入配合处。

为进一步诊断，采用专用洁净刮刀刮取内、外侧滚道润滑脂，分别用小玻璃瓶收集封存，在24 h内用Karl Fischer法完成润滑脂含水率测试[6]。若润滑脂含水率相比未使用的润滑脂含水率增加大于1%，则为密封失效。

3.3 磨痕分析

用汽油清除密封橡胶处的润滑油脂，并擦拭干净。密封圈使用过程中处于磨损状态下，密封橡胶磨损区域与未磨损区域有明显差异。在内、外密封圈未取出状态下，通过体视镜观察密封圈磨痕形貌，获取如下信息：

1)确认唇口是否存在异常损伤，例如撕裂、残缺或裂纹等，该问题一般来自于密封橡胶的制造缺陷。

2)通过体视镜测量橡胶与骨架的磨痕宽度，无磨损与过度磨损均为异常表现，无磨损表明唇口实际过盈量为0，一般由密封制造或装配缺陷引起；过度磨损可能为制造或装配缺陷引起过盈量偏大，也可能是环境恶劣导致磨损过度。

3)判断密封橡胶在使用过程中是否发生偏磨。若密封橡胶整周磨痕宽度宽窄不一，标记磨损较宽与较窄的位置，用体视显微镜测量磨损宽度,同一个内密封圈的不同位置磨痕宽度差异较大，如图5所示，对于这种现象，应考虑密封圈的压装歪斜。在显微观察时，若发现密封金属骨架有磨损宽窄不一的现象，应考虑骨架存在外力损伤而引起的局部变形。

图5 密封圈不同位置的磨痕宽度(20×)

3.4 残余过盈量

通过检测使用过密封件的残余过盈量来评估其剩余密封能力。密封圈残余过盈量在密封圈尚未从轴承上取出时测量，侧唇与主唇残余过盈量的获取方法如下：

1)采用激光位移传感器垂直扫描内、外密封圈的侧唇轮廓与所拆卸的骨架轮廓而获得侧唇相关尺寸，通过(3),(4)式及记录值-δ，+δ计算轴承内、外密封侧唇的残余过盈量。为使测量反映出不同位置过盈量的差异，根据3.3节，当存在磨损宽窄不一时，应分别对较宽与较窄位置进行残余过盈量计算。当整周磨损较均匀时，在密封橡胶圆周方向每120°取一个位置测量部分结构参数,并计算得到残余过盈量的平均值。

2)采用显微镜取点拟合几何圆来测量内外侧密封圈主唇唇口的直径、凸缘密封口径、内骨架直径，通过(1),(2),(5)式计算出轴承内、外密封圈主唇的残余过盈量。当圆周方向磨损不均时，进行几何圆拟合所取的点将对测量结果产生较大影响，宽磨损与窄磨损区域分别就近取点进行几何圆的拟合计算过盈量。若磨损均匀，在密封橡胶圆周方向每120°取一个位置测量部分结构参数,从而计算得残余过盈量的平均值。

密封圈磨损会使得轴承过盈量减小，减小量过大，在无过盈量的临界状态时，对轴承密封不利，车轮转向时侧向载荷作用下将形成缝隙，在泥水环境中发生泥水侵入。通过台架试验与实际工况分析，当密封唇实际过盈量下降85%时，属于高风险状态。

3.5 磨耗重构

将密封圈、钢球等零件取出，进行清洗，观察密封口径有无涉水锈迹，若轴承外圈零件密封口径光亮，如图6所示，说明密封圈在该处配合良好，而滚道的锈斑源于密封橡胶处的泥水侵入。

图6 密封口径处的观察

密封圈使用后，在唇口润滑脂中混杂了大量黑色橡胶磨粒，清洗并取出密封圈，对其进行磨耗重构。通过对所发生磨损的密封橡胶进行取样、扫描、复原、测量，能够分析出密封圈的磨损形状、尺寸与面积。

3.5.1 取样

磨耗重构样品通过截取密封圈圆周部位上某一个截面得到，当存在磨痕宽窄不一时，应对较宽与较窄位置进行分析。若磨损均匀，在密封橡胶圆周方向每120°截取一个样品。样品截取方法如下：

1)为防止橡胶热变形，采用透明树脂或石膏材料对整个密封圈进行冷镶嵌，然后用高速慢进给的砂轮片沿中心线进行切割获得所需截面；

2)不需要镶嵌，使用专用工装压住密封圈，然后用高速慢进给的砂轮片沿中心线进行切割，获取截面;

3)手工使用刀片仅进行密封橡胶的裁剪，为使得裁剪截面通过密封橡胶圆周中心线，在裁剪前采用体视镜或工具显微镜的测量软件确定圆心，画好裁剪截面线再裁剪。

3.5.2 观测

制样后，采用体视镜、工具显微镜或投影仪进行密封唇口的磨耗观测，磨耗重构投影图如图7所示，通过软件对磨耗进行重构后，可测量出唇口磨损的长度、宽度、面积与位置角等，进而分析密封圈磨损与变形程度。

图7 磨耗重构投影图

3.6 老化分析

密封橡胶材质一般为丁腈橡胶，随时间推移会发生老化，老化严重会使橡胶失去弹性而导致唇口接触压力丧失，甚至密封橡胶在运转过程中会形成龟裂。为分析橡胶老化程度，采用国际橡胶硬度计进行橡胶硬度检测，硬度值上升比率超过18%，则为风险警戒状态。

4 失效原因分析

密封失效原因可归纳为8类：

1)轴承零件打滑、松动或内密封圈组件错位，原因为轴承轴向预紧不足。

2)密封唇口裂纹或残缺，多源于密封橡胶的制造缺陷。

3)密封唇口无磨损，原因为密封圈制造或装配没有满足要求的过盈量;密封唇口剧烈磨损甚至丧失过盈量，是因为密封圈制造或装配没有满足要求的过盈量，也可能是由于工况环境恶劣。

4)轴承零件与密封骨架配合面锈蚀，是因为轴承零件或密封骨架尺寸与圆度公差超差。

5)唇口偏磨损，是因为密封圈的压装歪斜，未满足装配要求。

6)密封骨架偏磨损，是因为外力造成骨架损伤，从而引起骨架的局部变形或歪斜。

7)唇口老化无弹性，是因为轮毂轴承工作温度过高或周边制动组件热平衡出现问题。

8)若无上述7类密封失效问题，则可能是由于当前的密封结构设计不能满足试验或实际工况，密封结构应重新设计。