专利名称：轴承耐久性测试装置和方法
技术领域：
本发明涉及对主要是限滑差速器中的轴承(特别是可以通过当前齿轮磨损测试规程的差速器中的轴承)的耐久性进行评价的测试装置和操作方法。
背景技术：
当前，有很多针对具体汽车构件的性能的汽车测试。存在L-37标准测试和L-37 低温变型。这些测试也已知为ASTMD-6121，并且一般被用来评价在低速高扭矩运行条件下的准双曲面车轴(hypoid axle)中的齿轮润滑剂的负荷磨损和极压特性。典型的L-37测试由准双曲面车轴组成，该准双曲面车轴利用自动变速器通过驱动轴连接到V-8汽油动力发动机。车轴上的负载由连接到车轴每一端的两个大测功器来控制。高速低扭矩的磨合发生在以下情况440 rpm的车轴转速、295 °F的润滑剂温度和394 lb-ft (9460 lb-in)的扭矩，并持续100分钟。初始磨合阶段后，在大约80 rpm的车轴转速、每轮1740 lb-ft (41800 lb-in) (2359 N-MM)的扭矩、车轴温度维持在接近恒定的135 V (275 °F)下进行二十四小时的低速测试。在测试结束时，检查环形齿轮和小齿轮的基本磨损、黏附磨损、塑性变形和表面疲劳。在运行测试条件下，L-37测试通常被认为是可以区分能够保护齿轮和不能够保护齿轮的齿轮润滑剂的严格测试。然而，L-37测试主要查看齿轮磨损和点蚀性能。申请人不认为它充分预测了轴承耐久性。事实上，申请人已使齿轮润滑剂顺利通过了 L-37测试，但在诸如福特汽车公司(Ford Motor Company)开发的路上 R-392测试之类的路上测试中却失败了。可以想象，让润滑剂在车辆情形中上路并且失效是不利的。R-392测试是覆盖大约10000英里的路上车内测试。小齿轮头部轴承是内圈滚道上由疲劳损伤造成的主要失效点。因此，R-392是着眼于轴承对车轴测试进行评价的良好测试。然而，R-392采用组合重量达14000磅的带拖车的实际车辆，在包括城市和公路行驶的路线上，在亚利桑那州花费十四天完成。对于东海岸制造商而言，前往亚利桑那州并购买新卡车以及进行14天测试，可能是特别昂贵的。还存在通常在差速器上执行的其它测试，包括主要查看润滑剂对齿轮刮擦的影响的L-42测试。还存在评价润滑油的热稳定性和氧化稳定性的L-60-1测试。FE-8测试是针对风力涡轮机性能的轴承测试。其它测试程序也可用于在各种条件下测试润滑剂，但没有一种被视为充分解决了轴承的耐久性，特别是在差速器中。因此，轴承耐久性测试被视为是必需的，以便提供能力，同时优选在无需经历车内测试的情况下在确定齿轮润滑剂的通过-不合格品质的努力中提供可重复的结果，这是因为齿轮润滑剂涉及轴承耐久性。还需要能够准确预测令人满意的齿轮润滑剂性能的实验室测试，这是因为齿轮润滑剂性能也涉及轴承耐久性。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的轴承耐久性测试装置和/或它的使用方法。本发明的当前优选实施例的另一目的是提供一种用于评价轴承耐久性的改进的测试系统，并且更特别地，提供一种通过随其使用的润滑剂评价轴承耐久性的方法。所使用的优选测试具有稍微类似于ASTMD-6121 (L-37车轴测试)指定的构件，其中车轴测功器被连接到诸如具有3. 73齿轮比的福特8. 8”准双曲面车轴之类的车轴上。可以采用诸如5. 7升350 cid的火花点火发动机之类的V-8发动机和诸如GM 4L60E之类的 4速自动变速器。小齿轮扭矩计(诸如0到2035 Nm (0-18000 lb_in)范围的Himmelstein MCRT非接触式扭矩计)还与J型热电偶连接。最后，采用了测试控制中所用的内部软件以及每20秒数据取样的数据采集速率。也可以使用其它取样数据周期和其它软件。具体的测试条件是基于R-392测试中所经历的条件而得到的。R-392测试是一种路上测试，在该路上测试中，工程师评价卡车及其差速器在这种测试下运行的情况。具体地，在该测试中，轻型卡车拉着加载拖车在高温环境下通过具体路线。各车辆制造商都有具体的测试路线和要求，包括总行驶里程、负荷等级以及行驶路线的顺序。采用申请人的新测试来对R-392测试的各个段进行评价和模拟。具体来说，具有 Toprock Hill段，其包括以70 mph (每小时英里数)在17英里上爬升1000英尺。还具有Union I^ass段，其包括以最大60 mph在17英里上爬升3000英尺。还具有High Speed Track段，其包括以70 mph在平路上行驶。此外，还有City Traff ic段，其包括不时的停止。 为了模拟这些不同段和其它段，相对于车辆测试，申请人已创建了一系列不同时间，其中提供不同的小齿轮扭矩以及处于各种速度，以在台架测试中模拟这些不同的高应力环境。结果是相当惊人的。这些段被纳入到软件中，用于提供可重复结果。通过提供这种测试，当这些构件通不过F-392测试时，通过了 L-37测试的差速器和润滑剂仍被发现有可能通不过由申请人的方法所采用的轴承耐久性测试。申请人的测试大大节约了成本，因为它涉及在路上条件下对车辆中的润滑剂的测试。
本发明的特定特征和优势以及其它目的将从以下结合附图的说明中变得显而易见，在附图中
图1示出了本发明当前优选实施例的测试台配置的示意图，其中示出了差速器的内部部分的示意性细节；
图2示出了振动迹线，其显示了在优选位于图1所示的测试台上的测试中在最后一天时的失效；
图3示出了来自图1所示的差速器的失效轴承；
图4示出了铁的统计相对于测试循环数的曲线，其示出了在当前优选在图1的测试台上运行的测试已经执行后，在不合格的润滑剂和合格通过的润滑剂之间的差异；以及
图5示出了基于图1所示差速器的实际转数和小齿轮转数的计算的LlO寿命的图表。
具体实施例方式图1示出了轴承耐久性测试台10的示意图。该测试台包括发动机12、变速器14、以及联接到差速器18的驱动轴和扭矩计16，差速器18支撑被分别连接到测功器M、26的车轴部分20和22，测功器MJ6每个均具有各自的测力计观、30。计算机31在测试运行期间控制这些构件中的至少一些，并且从诸如扭矩计16和温度传感器21之类的构件接收输入。诸如水冷器之类的冷却系统23可被用来维持或至少防止差速器超过设定温度。图1详细示出了差速器18的示意图，其中轴承32支撑小齿轮34，小齿轮34接触环形齿轮36，以及由相应轴承40、42支撑的支架和差速器38。差速器18沿车轴部分20、22 传递从驱动轴16提供的动力。轴44处的小齿轮可由轴承46支撑。尽管这只是差速器18 的简单示意图，但是本领域普通技术人员会认识到，取决于型号和制造商，在不同的车辆上会有一些差速器的设计变化。将沿一个轴线的旋转传递到垂直轴线的基本构思是大多数差速器18的总体目的。小齿轮；34相对于环形齿轮36的磨损是通过诸如L-37 (ASTMD 6121) 这样的测试所通常进行评价的。到目前为止，评价诸如轴承32之类的轴承上的磨损的测试具体限于依赖实际车辆性能的车辆场地测试，而不是在实验室环境利用诸如测试台10进行。由于燃料经济性变成汽车制造商的越来越重要的目的，所以优选的目的是提供改进的新的润滑剂，以使摩擦或惯性最小化同时维持令人满意的润滑并防止零件过分磨损， 而无论该零件是齿轮、轴承、或差速器的其它部分、或传动机构(drive game)中的其它构件。其它因素可以推动新润滑剂在未来的研制。诸如L-37测试之类的测试已充分预测了齿轮磨损和齿轮点蚀性能，但也有可能通过L-37测试而仍然通不过诸如F-392测试之类的路上条件中的轴承耐久性测试。为了更准确地预测行驶汽车中的车轴润滑剂是否将在行驶车辆的情况下合格通过，使用诸如测试台10之类的测试平台的更有效的台架测试被视为是可取的。优选地，提供了一种致力于在实验室环境中模拟实际道路轴承耐久性测试的至少一部分的测试。相对于以实际车辆在亚利桑那州进行10000英里道路测试，选择了特定道路段循环，所述特定道路段循环被视为施加了道路测试负荷条件，同时减少测试时间并且加速润滑剂研制和评价过程。该测试的目的是利用测试台10来至少辅助研制和/或测试润滑剂，以致力于抵抗特别是在小齿轮头部轴承(或止端轴承)32的头部处的轴承滚道的疲劳散裂。图Ib中示出了小齿轮头部轴承32，其中内圈48位于与滚子50的接触处。该位置在很多应用中是特别关注的位置。同样可以评价其它轴承。小齿轮头部轴承32很可能经历差速器18中最艰难的轴承应用位置。由于轴承32 通常支撑的旋转的齿轮扭矩的推力，所以小齿轮轴承32上的负荷被视为是复杂的。还可以期望评价轴承内圈轮缘-滚子末端刮擦，但这往往是次要关注的。在进行测试后对这些轴承32进行评价时，有多种散裂发生模式，其已经在例如Τ. E. Tallian和ASNV在1992年 ^11 "Failure Atlas for Hertz Contact Machine Elements"^XR Littmann 禾口 Widner 在{也们白勺出片反物 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 中被加以报告。差速器中主要的散裂(spall)发生模式之一被认为是由诸如碎片凹痕的表面应力提升器(surface stress raiser)所造成的PSO散裂，或是由EHL膜造成的源于高轴承温度的微散裂。夹杂物原始散裂(inclusion origin spall)偶尔也会发生，但所确信的是，现代钢铁可以将该发生模式的机会减到最小。在滚道和轮缘-滚子接触处的轴承内部的温度如果不是相当热的话也是比较热的，使得EHL膜比从齿轮箱贮池中进行的通常温度测量中所预期的情况更薄。在这些条件下充分润滑轮缘-滚子接触位置也会是困难的，并且如果添加剂没有被适当调配的话，较高的温度还会造成疲劳寿命减少。因此，在执行下文描述的测试时，可能很重要的是在测试后检查轴承，以查看是否在头部轴承散裂失效外还发生了轮缘(rib)磨损。在开发至少一致地预测场地测试的结果的改进测试中，发生疲劳损伤的机制应当是相同的，并且如果负荷、速度和润滑剂粘度都复制了场地条件，则到其它轴承构件的散裂持续传播和损伤散布应当在发展速率和外观上也是类似的。这被认为是需要该测试的基础，这是因为L-37测试可以评价齿轮磨损，但不一定如当前优选测试所检查的那样来预测轴承疲劳。因此，准确产生润滑剂和轴承性能(这在之前需要漫长的场地测试)的台架测试规程被认为是可取的，特别是当优选实施例中的发生机制和疲劳损伤传播机制都模拟理论预测时。该测试的目的是表明可以运行轴承耐久性测试台10来模拟车辆测试，以评价差速器中轴承的耐久性。此外，关于场地测试与申请人的测试之间的实际比较则显示了测试的可
重复性。如以上所详述的那样，当前优选实施例的测试被认为是对场地测试进行仿真，并且在当前优选实施例中对福特R-392车轴耐久性测试进行仿真。在R-392测试中，小齿轮头部轴承是由于内滚道上的疲劳损伤而未通过测试的主要构件。相应地，申请人在执行路上 R-392测试中检查了该测试的各种构件，并且着手进行台架测试来模拟结果，以指示未通过场地测试的这些构件的失效，以及通过场地测试的那些车轴和差速器的合格通过。R-392测试采用带拖车的车辆，组合重量达14000磅，在包括城市和公路行驶的路线上，以拖曳上坡和滑行状况行驶。该测试占用约14天来完成，并且测试后将差速器拆卸下来目视检查损伤。测试的通过准则是，轴承滚道上没有疲劳损伤，并且没有轴承轮缘刮擦。下文提供的表I示出了 R-392测试的循环段。具体地，High Speed Track段具有大约200-300 lb-ft的扭矩范围、2500-3000 rpm的小齿轮速度、温度范围以及在该路段上的测试时间的百分比。还有Toprock Hill，其具有稍微增加的扭矩和较低速度，以及City traffic部分，City traffic部分具有稍微更高的扭矩和更低的小齿轮速度。最后，是Union I^ass段，它是具有中等扭矩范围和中等小齿轮速度的段。表I. R-392基本循环段和各自的寿命损耗a.最大温度的范围；
b.取自由Afton执行的模拟R-392测试的TopockHill和Union Pass运行的数据。要理解的是，这些是与实际道路条件中一样多的平均范围，特别是关于公有特性和私有特性在城市和公路行驶、以及上坡和滑行情况之间所采取的，在这些各个段上存在很多实际扭矩和小齿轮速度。申请人仅寻求采用平均范围，用于创建台架测试的目的。从表I，创建了表II以提供可重复的循环段。该表中的相关栏是％转数，其表示差速器基于各种行驶条件而转动的程度，所述各种行驶条件是根据经验得出的差速器预期将遇到的条件。表II. BDT负荷循环段和各自的寿命损耗
权利要求
1.一种轴承耐久性测试方法，包括以下步骤提供了具有联接到变速器和差速器的驱动器的测试台，所述差速器支撑相对的车轴部分，所述相对的车轴部分被连接到至少一个测功器，以及控制器与至少所述驱动器和所述至少一个测功器连通；通过以在所述差速器上施加小齿轮扭矩和在所述车轴部分上施加车轴速度的预定段循环来运行所述驱动器和所述至少一个测功器，从而执行测试，并且在所述测试过程中，所述控制器控制车轴速度和与所施加的小齿轮扭矩相关的扭矩中的至少一个；其中，第一段提供了低的小齿轮扭矩和低的车轴速度，第二段提供了低的小齿轮扭矩和高的车轴速度；并且所述这些段都是所述段循环的一部分，由此发生关于所述第一段的第一运行时间段，之后是关于所述第二段的第二运行时间段，并且所述段循环被作为重复循环而重复，并在下述两种情形中的至少一种中持续，即持续48个小时；以及持续到终止所述测试的失效事件。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述失效事件至少部分地由来自振动传感器的输出确定，所述振动传感器与所述差速器连通。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述失效事件对应于所述测试期间所述差速器的振动中的预定增加量。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述重复循环具有相似的第一段和第二段。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述重复循环在所述重复循环的每一个中都重复所述第一段和第二段。
6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括第三段，所述第三段特征在于低的小齿轮扭矩和低的车轴速度，并且所述第三段在所述循环中跟随在所述第二段后。
7.根据权利要求6所述的方法，进一步包括第四段，所述第四段特征在于低的小齿轮扭矩和高的车轴速度，并且所述第四段在所述循环中跟随在所述第三段后。
8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括第五段，所述第五段特征在于低的小齿轮扭矩和高的车轴速度，并且所述第五段在所述循环中处于所述第一段前。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述低的小齿轮扭矩进一步特征在于小于约750lb-fto
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述低的小齿轮扭矩小于约500lb-ft。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述高的车轴速度进一步特征在于高于约500rpmD
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述低的车轴速度被限定为小于约200rpm。
13.根据权利要求1所述的方法，进一步包括步骤在执行所述测试前以及在连接到发动机和所述至少一个测功器之前，至少部分地拆开差速器，以及进一步包括步骤在终止所述测试后至少部分地拆开所述差速器，并且检查下述中的至少一种关于疲劳散裂失效来检查所述小齿轮头部轴承的滚道；以及，关于端部刮擦来检查所述小齿轮头部轴承内圈轮缘-滚子。
14.根据权利要求1所述的方法，进一步包括步骤在终止所述测试后，关于铁来对所述差速器中的废油进行分析。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，如果以每测试循环数的每百万分率的铁统计量小于约六，则所述测试通过。
16.一种轴承耐久性测试方法，包括以下步骤提供了具有联接到差速器的驱动器的测试台，所述差速器支撑相对的车轴部分，所述相对的车轴部分被连接到至少一个测功器，控制器与至少所述驱动器和所述至少一个测功器连通，以及振动传感器与所述差速器连通；以及以在所述差速器上施加小齿轮扭矩和在所述车轴部分上施加车轴速度的预定段循环来运行所述驱动器和所述至少一个测功器，并且在测试过程中，所述控制器控制车轴速度和与所施加的小齿轮扭矩相关的扭矩中的至少一个；其中，第一段提供了低的小齿轮扭矩和低的车轴速度，第二段提供了低的小齿轮扭矩和高的车轴速度；并且所述这些段都是所述段循环的一部分，由此发生了关于所述第一段的第一运行时间段和关于所述第二段的第二运行时间段，并且所述测试继续，直至所述振动传感器向所述控制器提供输出，由此所述控制器将所述输出区分为失效事件，并且所述控制器停止所述测试。
17.根据权利要求16所述的测试方法，其中，在停止所述测试后，拆开所述差速器，并且关于疲劳散裂失效来检查至少所述小齿轮头部轴承。
18.根据权利要求16所述的测试方法，其中，在所述测试后，还关于轮缘-滚子端部刮擦来检查所述小齿轮头部轴承。
19.一种轴承耐久性测试方法，包括以下步骤提供了具有联接到差速器的驱动器的测试台，所述差速器支撑相对的车轴部分，所述相对的车轴部分被连接到测功器，以及控制器与至少所述驱动器和测功器连通；以在所述差速器上施加小齿轮扭矩和在所述车轴部分上施加车轴速度的预定段循环来运行所述驱动器和所述测功器，并且所述控制器控制车轴速度和与所施加的小齿轮扭矩相关的扭矩中的至少一个；其中，第一段提供了低的小齿轮扭矩和低的车轴速度，第二段提供了低的小齿轮扭矩和高的车轴速度；并且所述这些段都是所述段循环的一部分，由此发生关于所述第一段的第一运行时间段，之后是关于所述第二段的第二运行时间段，之后是关于所述第一段的另一第一时间段，然后是关于所述第二段的另一第二时间段，并且所述段循环被作为重复循环而重复，并在下述两种情形中的至少一种中持续，即持续48个小时；以及持续到终止所述测试的失效事件。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述失效事件至少部分地由来自振动传感器的输出确定，所述振动传感器与所述差速器连通。
全文摘要
本发明涉及轴承耐久性测试装置和方法。具体而言，设计了一种用于汽车车轴润滑剂的轴承耐久性测试，以评估用于轴承耐久性的润滑剂要求。尽管存在各种用于差速器润滑剂的测试，以测试齿轮磨损和其它因素，但是申请人已评估了需求，并且通过轴承耐久性测试和测试台装置满足了该需求。
文档编号G01M13/04GK102162771SQ201110029378
公开日2011年8月24日 申请日期2011年1月27日 优先权日2010年1月27日
发明者C·科格林 申请人:新市场服务公司雅富顿化学分公司