軸承耐久性測試裝置和方法

2023-05-15 22:21:16 1

專利名稱：軸承耐久性測試裝置和方法
技術領域：
本發明涉及對主要是限滑差速器中的軸承(特別是可以通過當前齒輪磨損測試規程的差速器中的軸承)的耐久性進行評價的測試裝置和操作方法。
背景技術：
當前，有很多針對具體汽車構件的性能的汽車測試。存在L-37標準測試和L-37 低溫變型。這些測試也已知為ASTMD-6121，並且一般被用來評價在低速高扭矩運行條件下的準雙曲面車軸(hypoid axle)中的齒輪潤滑劑的負荷磨損和極壓特性。典型的L-37測試由準雙曲面車軸組成，該準雙曲面車軸利用自動變速器通過驅動軸連接到V-8汽油動力發動機。車軸上的負載由連接到車軸每一端的兩個大測功器來控制。高速低扭矩的磨合發生在以下情況440 rpm的車軸轉速、295 °F的潤滑劑溫度和394 lb-ft (9460 lb-in)的扭矩，並持續100分鐘。初始磨合階段後，在大約80 rpm的車軸轉速、每輪1740 lb-ft (41800 lb-in) (2359 N-MM)的扭矩、車軸溫度維持在接近恆定的135 V (275 °F)下進行二十四小時的低速測試。在測試結束時，檢查環形齒輪和小齒輪的基本磨損、黏附磨損、塑性變形和表面疲勞。在運行測試條件下，L-37測試通常被認為是可以區分能夠保護齒輪和不能夠保護齒輪的齒輪潤滑劑的嚴格測試。然而，L-37測試主要查看齒輪磨損和點蝕性能。申請人不認為它充分預測了軸承耐久性。事實上，申請人已使齒輪潤滑劑順利通過了 L-37測試，但在諸如福特汽車公司(Ford Motor Company)開發的路上 R-392測試之類的路上測試中卻失敗了。可以想像，讓潤滑劑在車輛情形中上路並且失效是不利的。R-392測試是覆蓋大約10000英裡的路上車內測試。小齒輪頭部軸承是內圈滾道上由疲勞損傷造成的主要失效點。因此，R-392是著眼於軸承對車軸測試進行評價的良好測試。然而，R-392採用組合重量達14000磅的帶拖車的實際車輛，在包括城市和公路行駛的路線上，在亞利桑那州花費十四天完成。對於東海岸製造商而言，前往亞利桑那州併購買新卡車以及進行14天測試，可能是特別昂貴的。還存在通常在差速器上執行的其它測試，包括主要查看潤滑劑對齒輪刮擦的影響的L-42測試。還存在評價潤滑油的熱穩定性和氧化穩定性的L-60-1測試。FE-8測試是針對風力渦輪機性能的軸承測試。其它測試程序也可用於在各種條件下測試潤滑劑，但沒有一種被視為充分解決了軸承的耐久性，特別是在差速器中。因此，軸承耐久性測試被視為是必需的，以便提供能力，同時優選在無需經歷車內測試的情況下在確定齒輪潤滑劑的通過-不合格品質的努力中提供可重複的結果，這是因為齒輪潤滑劑涉及軸承耐久性。還需要能夠準確預測令人滿意的齒輪潤滑劑性能的實驗室測試，這是因為齒輪潤滑劑性能也涉及軸承耐久性。

發明內容
本發明的目的是提供一種改進的軸承耐久性測試裝置和/或它的使用方法。本發明的當前優選實施例的另一目的是提供一種用於評價軸承耐久性的改進的測試系統，並且更特別地，提供一種通過隨其使用的潤滑劑評價軸承耐久性的方法。所使用的優選測試具有稍微類似於ASTMD-6121 (L-37車軸測試)指定的構件，其中車軸測功器被連接到諸如具有3. 73齒輪比的福特8. 8」準雙曲面車軸之類的車軸上。可以採用諸如5. 7升350 cid的火花點火發動機之類的V-8發動機和諸如GM 4L60E之類的 4速自動變速器。小齒輪扭矩計(諸如0到2035 Nm (0-18000 lb_in)範圍的Himmelstein MCRT非接觸式扭矩計)還與J型熱電偶連接。最後，採用了測試控制中所用的內部軟體以及每20秒數據取樣的數據採集速率。也可以使用其它取樣數據周期和其它軟體。具體的測試條件是基於R-392測試中所經歷的條件而得到的。R-392測試是一種路上測試，在該路上測試中，工程師評價卡車及其差速器在這種測試下運行的情況。具體地，在該測試中，輕型卡車拉著加載拖車在高溫環境下通過具體路線。各車輛製造商都有具體的測試路線和要求，包括總行駛裡程、負荷等級以及行駛路線的順序。採用申請人的新測試來對R-392測試的各個段進行評價和模擬。具體來說，具有 Toprock Hill段，其包括以70 mph (每小時英裡數)在17英裡上爬升1000英尺。還具有Union I^ass段，其包括以最大60 mph在17英裡上爬升3000英尺。還具有High Speed Track段，其包括以70 mph在平路上行駛。此外，還有City Traff ic段，其包括不時的停止。 為了模擬這些不同段和其它段，相對於車輛測試，申請人已創建了一系列不同時間，其中提供不同的小齒輪扭矩以及處於各種速度，以在臺架測試中模擬這些不同的高應力環境。結果是相當驚人的。這些段被納入到軟體中，用於提供可重複結果。通過提供這種測試，當這些構件通不過F-392測試時，通過了 L-37測試的差速器和潤滑劑仍被發現有可能通不過由申請人的方法所採用的軸承耐久性測試。申請人的測試大大節約了成本，因為它涉及在路上條件下對車輛中的潤滑劑的測試。


本發明的特定特徵和優勢以及其它目的將從以下結合附圖的說明中變得顯而易見，在附圖中
圖1示出了本發明當前優選實施例的測試臺配置的示意圖，其中示出了差速器的內部部分的示意性細節；
圖2示出了振動跡線，其顯示了在優選位於圖1所示的測試臺上的測試中在最後一天時的失效；
圖3示出了來自圖1所示的差速器的失效軸承；
圖4示出了鐵的統計相對於測試循環數的曲線，其示出了在當前優選在圖1的測試臺上運行的測試已經執行後，在不合格的潤滑劑和合格通過的潤滑劑之間的差異；以及
圖5示出了基於圖1所示差速器的實際轉數和小齒輪轉數的計算的LlO壽命的圖表。
具體實施例方式圖1示出了軸承耐久性測試臺10的示意圖。該測試臺包括發動機12、變速器14、以及聯接到差速器18的驅動軸和扭矩計16，差速器18支撐被分別連接到測功器M、26的車軸部分20和22，測功器MJ6每個均具有各自的測力計觀、30。計算機31在測試運行期間控制這些構件中的至少一些，並且從諸如扭矩計16和溫度傳感器21之類的構件接收輸入。諸如水冷器之類的冷卻系統23可被用來維持或至少防止差速器超過設定溫度。圖1詳細示出了差速器18的示意圖，其中軸承32支撐小齒輪34，小齒輪34接觸環形齒輪36，以及由相應軸承40、42支撐的支架和差速器38。差速器18沿車軸部分20、22 傳遞從驅動軸16提供的動力。軸44處的小齒輪可由軸承46支撐。儘管這只是差速器18 的簡單示意圖，但是本領域普通技術人員會認識到，取決於型號和製造商，在不同的車輛上會有一些差速器的設計變化。將沿一個軸線的旋轉傳遞到垂直軸線的基本構思是大多數差速器18的總體目的。小齒輪；34相對於環形齒輪36的磨損是通過諸如L-37 (ASTMD 6121) 這樣的測試所通常進行評價的。到目前為止，評價諸如軸承32之類的軸承上的磨損的測試具體限於依賴實際車輛性能的車輛場地測試，而不是在實驗室環境利用諸如測試臺10進行。由於燃料經濟性變成汽車製造商的越來越重要的目的，所以優選的目的是提供改進的新的潤滑劑，以使摩擦或慣性最小化同時維持令人滿意的潤滑並防止零件過分磨損， 而無論該零件是齒輪、軸承、或差速器的其它部分、或傳動機構(drive game)中的其它構件。其它因素可以推動新潤滑劑在未來的研製。諸如L-37測試之類的測試已充分預測了齒輪磨損和齒輪點蝕性能，但也有可能通過L-37測試而仍然通不過諸如F-392測試之類的路上條件中的軸承耐久性測試。為了更準確地預測行駛汽車中的車軸潤滑劑是否將在行駛車輛的情況下合格通過，使用諸如測試臺10之類的測試平臺的更有效的臺架測試被視為是可取的。優選地，提供了一種致力於在實驗室環境中模擬實際道路軸承耐久性測試的至少一部分的測試。相對於以實際車輛在亞利桑那州進行10000英裡道路測試，選擇了特定道路段循環，所述特定道路段循環被視為施加了道路測試負荷條件，同時減少測試時間並且加速潤滑劑研製和評價過程。該測試的目的是利用測試臺10來至少輔助研製和/或測試潤滑劑，以致力於抵抗特別是在小齒輪頭部軸承(或止端軸承)32的頭部處的軸承滾道的疲勞散裂。圖Ib中示出了小齒輪頭部軸承32，其中內圈48位於與滾子50的接觸處。該位置在很多應用中是特別關注的位置。同樣可以評價其它軸承。小齒輪頭部軸承32很可能經歷差速器18中最艱難的軸承應用位置。由於軸承32 通常支撐的旋轉的齒輪扭矩的推力，所以小齒輪軸承32上的負荷被視為是複雜的。還可以期望評價軸承內圈輪緣-滾子末端刮擦，但這往往是次要關注的。在進行測試後對這些軸承32進行評價時，有多種散裂發生模式，其已經在例如Τ. E. Tallian和ASNV在1992年 ^11 "Failure Atlas for Hertz Contact Machine Elements"^XR Littmann 禾口 Widner 在{也們白勺出片反物 Bearing Damage Analysis, Mechanical Failure-Definition of the Problem. NBS Special Publication No. 423 (可在 Supt. Of Documents, U. S. Govt. Printing Office, Washington, D. D.中找到)1976，67_84 中被加以報告。差速器中主要的散裂(spall)發生模式之一被認為是由諸如碎片凹痕的表面應力提升器(surface stress raiser)所造成的PSO散裂，或是由EHL膜造成的源於高軸承溫度的微散裂。夾雜物原始散裂(inclusion origin spall)偶爾也會發生，但所確信的是，現代鋼鐵可以將該發生模式的機會減到最小。在滾道和輪緣-滾子接觸處的軸承內部的溫度如果不是相當熱的話也是比較熱的，使得EHL膜比從齒輪箱貯池中進行的通常溫度測量中所預期的情況更薄。在這些條件下充分潤滑輪緣-滾子接觸位置也會是困難的，並且如果添加劑沒有被適當調配的話，較高的溫度還會造成疲勞壽命減少。因此，在執行下文描述的測試時，可能很重要的是在測試後檢查軸承，以查看是否在頭部軸承散裂失效外還發生了輪緣(rib)磨損。在開發至少一致地預測場地測試的結果的改進測試中，發生疲勞損傷的機制應當是相同的，並且如果負荷、速度和潤滑劑粘度都複製了場地條件，則到其它軸承構件的散裂持續傳播和損傷散布應當在發展速率和外觀上也是類似的。這被認為是需要該測試的基礎，這是因為L-37測試可以評價齒輪磨損，但不一定如當前優選測試所檢查的那樣來預測軸承疲勞。因此，準確產生潤滑劑和軸承性能(這在之前需要漫長的場地測試)的臺架測試規程被認為是可取的，特別是當優選實施例中的發生機制和疲勞損傷傳播機制都模擬理論預測時。該測試的目的是表明可以運行軸承耐久性測試臺10來模擬車輛測試，以評價差速器中軸承的耐久性。此外，關於場地測試與申請人的測試之間的實際比較則顯示了測試的可
重複性。如以上所詳述的那樣，當前優選實施例的測試被認為是對場地測試進行仿真，並且在當前優選實施例中對福特R-392車軸耐久性測試進行仿真。在R-392測試中，小齒輪頭部軸承是由於內滾道上的疲勞損傷而未通過測試的主要構件。相應地，申請人在執行路上 R-392測試中檢查了該測試的各種構件，並且著手進行臺架測試來模擬結果，以指示未通過場地測試的這些構件的失效，以及通過場地測試的那些車軸和差速器的合格通過。R-392測試採用帶拖車的車輛，組合重量達14000磅，在包括城市和公路行駛的路線上，以拖曳上坡和滑行狀況行駛。該測試佔用約14天來完成，並且測試後將差速器拆卸下來目視檢查損傷。測試的通過準則是，軸承滾道上沒有疲勞損傷，並且沒有軸承輪緣刮擦。下文提供的表I示出了 R-392測試的循環段。具體地，High Speed Track段具有大約200-300 lb-ft的扭矩範圍、2500-3000 rpm的小齒輪速度、溫度範圍以及在該路段上的測試時間的百分比。還有Toprock Hill，其具有稍微增加的扭矩和較低速度，以及City traffic部分，City traffic部分具有稍微更高的扭矩和更低的小齒輪速度。最後，是Union I^ass段，它是具有中等扭矩範圍和中等小齒輪速度的段。表I. R-392基本循環段和各自的壽命損耗a.最大溫度的範圍；
b.取自由Afton執行的模擬R-392測試的TopockHill和Union Pass運行的數據。要理解的是，這些是與實際道路條件中一樣多的平均範圍，特別是關於公有特性和私有特性在城市和公路行駛、以及上坡和滑行情況之間所採取的，在這些各個段上存在很多實際扭矩和小齒輪速度。申請人僅尋求採用平均範圍，用於創建臺架測試的目的。從表I，創建了表II以提供可重複的循環段。該表中的相關欄是％轉數，其表示差速器基於各種行駛條件而轉動的程度，所述各種行駛條件是根據經驗得出的差速器預期將遇到的條件。表II. BDT負荷循環段和各自的壽命損耗
權利要求
1.一種軸承耐久性測試方法，包括以下步驟提供了具有聯接到變速器和差速器的驅動器的測試臺，所述差速器支撐相對的車軸部分，所述相對的車軸部分被連接到至少一個測功器，以及控制器與至少所述驅動器和所述至少一個測功器連通；通過以在所述差速器上施加小齒輪扭矩和在所述車軸部分上施加車軸速度的預定段循環來運行所述驅動器和所述至少一個測功器，從而執行測試，並且在所述測試過程中，所述控制器控制車軸速度和與所施加的小齒輪扭矩相關的扭矩中的至少一個；其中，第一段提供了低的小齒輪扭矩和低的車軸速度，第二段提供了低的小齒輪扭矩和高的車軸速度；並且所述這些段都是所述段循環的一部分，由此發生關於所述第一段的第一運行時間段，之後是關於所述第二段的第二運行時間段，並且所述段循環被作為重複循環而重複，並在下述兩種情形中的至少一種中持續，即持續48個小時；以及持續到終止所述測試的失效事件。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述失效事件至少部分地由來自振動傳感器的輸出確定，所述振動傳感器與所述差速器連通。
3.根據權利要求2所述的方法，其中，所述失效事件對應於所述測試期間所述差速器的振動中的預定增加量。
4.根據權利要求1所述的方法，其中，所述重複循環具有相似的第一段和第二段。
5.根據權利要求4所述的方法，其中，所述重複循環在所述重複循環的每一個中都重複所述第一段和第二段。
6.根據權利要求1所述的方法，進一步包括第三段，所述第三段特徵在於低的小齒輪扭矩和低的車軸速度，並且所述第三段在所述循環中跟隨在所述第二段後。
7.根據權利要求6所述的方法，進一步包括第四段，所述第四段特徵在於低的小齒輪扭矩和高的車軸速度，並且所述第四段在所述循環中跟隨在所述第三段後。
8.根據權利要求7所述的方法，進一步包括第五段，所述第五段特徵在於低的小齒輪扭矩和高的車軸速度，並且所述第五段在所述循環中處於所述第一段前。
9.根據權利要求1所述的方法，其中，所述低的小齒輪扭矩進一步特徵在於小於約750lb-fto
10.根據權利要求1所述的方法，其中，所述低的小齒輪扭矩小於約500lb-ft。
11.根據權利要求1所述的方法，其中，所述高的車軸速度進一步特徵在於高於約500rpmD
12.根據權利要求1所述的方法，其中，所述低的車軸速度被限定為小於約200rpm。
13.根據權利要求1所述的方法，進一步包括步驟在執行所述測試前以及在連接到發動機和所述至少一個測功器之前，至少部分地拆開差速器，以及進一步包括步驟在終止所述測試後至少部分地拆開所述差速器，並且檢查下述中的至少一種關於疲勞散裂失效來檢查所述小齒輪頭部軸承的滾道；以及，關於端部刮擦來檢查所述小齒輪頭部軸承內圈輪緣-滾子。
14.根據權利要求1所述的方法，進一步包括步驟在終止所述測試後，關於鐵來對所述差速器中的廢油進行分析。
15.根據權利要求14所述的方法，其中，如果以每測試循環數的每百萬分率的鐵統計量小於約六，則所述測試通過。
16.一種軸承耐久性測試方法，包括以下步驟提供了具有聯接到差速器的驅動器的測試臺，所述差速器支撐相對的車軸部分，所述相對的車軸部分被連接到至少一個測功器，控制器與至少所述驅動器和所述至少一個測功器連通，以及振動傳感器與所述差速器連通；以及以在所述差速器上施加小齒輪扭矩和在所述車軸部分上施加車軸速度的預定段循環來運行所述驅動器和所述至少一個測功器，並且在測試過程中，所述控制器控制車軸速度和與所施加的小齒輪扭矩相關的扭矩中的至少一個；其中，第一段提供了低的小齒輪扭矩和低的車軸速度，第二段提供了低的小齒輪扭矩和高的車軸速度；並且所述這些段都是所述段循環的一部分，由此發生了關於所述第一段的第一運行時間段和關於所述第二段的第二運行時間段，並且所述測試繼續，直至所述振動傳感器向所述控制器提供輸出，由此所述控制器將所述輸出區分為失效事件，並且所述控制器停止所述測試。
17.根據權利要求16所述的測試方法，其中，在停止所述測試後，拆開所述差速器，並且關於疲勞散裂失效來檢查至少所述小齒輪頭部軸承。
18.根據權利要求16所述的測試方法，其中，在所述測試後，還關於輪緣-滾子端部刮擦來檢查所述小齒輪頭部軸承。
19.一種軸承耐久性測試方法，包括以下步驟提供了具有聯接到差速器的驅動器的測試臺，所述差速器支撐相對的車軸部分，所述相對的車軸部分被連接到測功器，以及控制器與至少所述驅動器和測功器連通；以在所述差速器上施加小齒輪扭矩和在所述車軸部分上施加車軸速度的預定段循環來運行所述驅動器和所述測功器，並且所述控制器控制車軸速度和與所施加的小齒輪扭矩相關的扭矩中的至少一個；其中，第一段提供了低的小齒輪扭矩和低的車軸速度，第二段提供了低的小齒輪扭矩和高的車軸速度；並且所述這些段都是所述段循環的一部分，由此發生關於所述第一段的第一運行時間段，之後是關於所述第二段的第二運行時間段，之後是關於所述第一段的另一第一時間段，然後是關於所述第二段的另一第二時間段，並且所述段循環被作為重複循環而重複，並在下述兩種情形中的至少一種中持續，即持續48個小時；以及持續到終止所述測試的失效事件。
20.根據權利要求19所述的方法，其中，所述失效事件至少部分地由來自振動傳感器的輸出確定，所述振動傳感器與所述差速器連通。
全文摘要
本發明涉及軸承耐久性測試裝置和方法。具體而言，設計了一種用於汽車車軸潤滑劑的軸承耐久性測試，以評估用於軸承耐久性的潤滑劑要求。儘管存在各種用於差速器潤滑劑的測試，以測試齒輪磨損和其它因素，但是申請人已評估了需求，並且通過軸承耐久性測試和測試臺裝置滿足了該需求。
文檔編號G01M13/04GK102162771SQ201110029378
公開日2011年8月24日 申請日期2011年1月27日 優先權日2010年1月27日
發明者C·科格林 申請人:新市場服務公司雅富頓化學分公司