萬(wàn)媛媛,湯玉輝

(安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽合肥 230601)

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某電動(dòng)商用車軸承失效分析及解決措施

萬(wàn)媛媛,湯玉輝

(安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽合肥 230601)

對(duì)某電動(dòng)商用車減速器在臺(tái)架測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象進(jìn)行研究，對(duì)減速器進(jìn)行拆解分析，從齒輪旋向設(shè)計(jì)、軸承孔設(shè)計(jì)、軸承潤(rùn)滑方式設(shè)計(jì)、軸承的安裝定位以及軸承的型式選擇幾個(gè)方面，解決軸承失效的問(wèn)題，最終通過(guò)耐久臺(tái)架測(cè)試，使得減速器滿足壽命要求。

電動(dòng)商用車；減速器；軸承；失效分析

0　引言

國(guó)內(nèi)外汽車工業(yè)掀起了電動(dòng)汽車的研究熱潮，電動(dòng)汽車逐漸被消費(fèi)者接受和認(rèn)可。同時(shí)，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)商用車進(jìn)行動(dòng)力改裝，電動(dòng)商用車也走進(jìn)了人們的視野中，主要當(dāng)垃圾清掃車、灑水車等，這種電動(dòng)商用車安全可靠，既可以滿足使用需求，又達(dá)到了節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)[1]。

電動(dòng)商用車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般是將驅(qū)動(dòng)電機(jī)搭載單速比減速器取代傳統(tǒng)商用車的發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱，將動(dòng)力傳遞到驅(qū)動(dòng)半軸。這種取代方式可以實(shí)現(xiàn)同一驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)搭載不同的車型，成本低、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。但是電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，減速器直接與電機(jī)軸連接，減速器輸入軸所承受的轉(zhuǎn)速高，從而對(duì)軸承的影響也較大。

通過(guò)對(duì)減速器反復(fù)試驗(yàn)，找出減速器軸承失效的原因并且解決設(shè)計(jì)問(wèn)題。

1　軸承失效特征

1.1問(wèn)題描述

某商用車減速器在依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 568《汽車機(jī)械式變速器 臺(tái)架試驗(yàn)方法》[2]和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《單速比減速器試驗(yàn)臺(tái)架方法》[3]進(jìn)行耐久臺(tái)架測(cè)試時(shí)出現(xiàn)明顯異響聲，測(cè)試人員終止測(cè)試，并懷疑是減速器內(nèi)部零件可能出現(xiàn)斷裂。為找出問(wèn)題所在，設(shè)計(jì)人員拆解了商用車減速器，發(fā)現(xiàn)減速器輸入軸和輸出軸連接軸承內(nèi)外圈分離并出現(xiàn)了嚴(yán)重的燒蝕、輪齒斷裂[4]，見(jiàn)圖1。這里選用的深溝球軸承6005。

1.2減速器耐久臺(tái)架測(cè)試

磨合條件：磨合時(shí)間90 min； 輸入扭矩40 N·m；輸入轉(zhuǎn)速3 000 r/min；

試驗(yàn)條件：油溫：85～95 ℃;

工況條件：見(jiàn)表1。

表1　耐久測(cè)試工況

測(cè)試結(jié)果： 在試驗(yàn)進(jìn)行到第50 h時(shí)，減速器出現(xiàn)異響。拆解發(fā)現(xiàn)，輸入軸輸出軸連接軸承燒蝕，輪齒斷裂。

2　幾次測(cè)試結(jié)果及問(wèn)題整改

2.1第1次測(cè)試

2.1.1問(wèn)題分析

從拆解出現(xiàn)的現(xiàn)象分析，軸承內(nèi)外圈脫離。首先考慮到齒輪設(shè)計(jì)，作者發(fā)現(xiàn)該減速器兩對(duì)嚙合齒輪的旋向設(shè)計(jì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，導(dǎo)致輸入軸和輸出軸連接軸承承受軸向力，導(dǎo)致軸承損壞。如圖2，輸入軸齒輪旋向?yàn)橛倚?，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，根據(jù)右手定則，受到軸向力F1方向向右，作用于輸入軸和輸出軸連接軸承外圈；輸出軸旋向也為右旋，軸向力F2方向向左，作用于軸承內(nèi)圈[5]。正是這兩個(gè)方向相反的軸向力長(zhǎng)時(shí)間作用導(dǎo)致軸承燒蝕，內(nèi)外圈分離。

該減速器齒輪旋向設(shè)計(jì)引用同平臺(tái)其他車型設(shè)計(jì)，但在設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有考慮到兩者內(nèi)部結(jié)構(gòu)的區(qū)別。另一車型的減速器輸入軸、中間軸與輸出軸平行但不共線，軸通過(guò)兩端軸承固定，軸向力方向?qū)S承影響不大；而該商用車減速器輸入軸和輸出軸共線，通過(guò)軸承的內(nèi)外圈連接，該軸承如果受到方向相反的軸向力風(fēng)險(xiǎn)會(huì)很大。

2.1.2方案整改

表 2　齒輪旋向設(shè)計(jì)前后對(duì)比

2.2第2次測(cè)試

2.2.1問(wèn)題分析

改變齒輪旋向設(shè)計(jì)后，重新進(jìn)行耐久測(cè)試，測(cè)試方法與第一次測(cè)試相同。試驗(yàn)進(jìn)行到第11 h后，出現(xiàn)異響，試驗(yàn)停止。拆解減速器后，發(fā)現(xiàn)輸入軸、輸出軸連接軸承燒壞，具體部位為軸承內(nèi)圈碎裂。

從拆解情況來(lái)看：軸承的燒壞可能是因?yàn)檫\(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，軸承潤(rùn)滑情況不好；內(nèi)圈碎裂，說(shuō)明軸承承受的徑向力較大，從而導(dǎo)致軸承損壞。

2.2.2方案整改

從分析情況來(lái)看，一方面需要改善軸承的潤(rùn)滑情況，可以從減速器結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化。具體方法：

(1)在輸入軸上安裝軸承處開(kāi)3個(gè)小油孔(需要考慮軸的實(shí)際強(qiáng)度)，讓潤(rùn)滑油充分流入，保證軸承良好的潤(rùn)滑環(huán)境；

(2)調(diào)整兩端軸承孔深度，使軸承孔與軸承充分接觸，將徑向力更多地分給兩端軸承；

另一方面提升輸入軸、輸出軸連接軸承品質(zhì)，更換更好軸承品牌，保證產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題。

2.3第3次測(cè)試

2.3.1問(wèn)題分析

經(jīng)過(guò)上面所述整改后，將優(yōu)化后的減速器裝上臺(tái)架，進(jìn)行耐久測(cè)試，試驗(yàn)進(jìn)行3 h后，出現(xiàn)異常，立即停止測(cè)試。再一次拆解減速器，發(fā)現(xiàn)輸入軸、輸出軸連接軸承燒壞，具體部位為軸承內(nèi)圈碎裂，輸出軸局部燒焦。

輸出軸局部燒焦主要是因?yàn)檩S承內(nèi)圈受損?？紤]到經(jīng)過(guò)整改后的軸承質(zhì)量沒(méi)有問(wèn)題，而且優(yōu)化后潤(rùn)滑情況良好，所以原因應(yīng)該是深溝球軸承徑向承載能力弱。另外，在整車運(yùn)行時(shí)輸出軸隨著傳動(dòng)軸的伸縮會(huì)有軸向竄動(dòng)，從而導(dǎo)致輸入軸、輸出軸連接軸承同時(shí)還承受軸向力。深溝球軸承一般主要用來(lái)承載徑向力，軸向力承受能力有限。

2.3.2方案整改

從3次測(cè)試結(jié)果來(lái)看，輸入軸、輸出軸連接軸承在測(cè)試過(guò)程中均出現(xiàn)內(nèi)圈損壞的情況，可以看出軸承在工作過(guò)程中均受到了較大的徑向力和軸向力，而深溝球軸承主要是承受徑向力，僅能承受較小的軸向力。所以，再一次對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化和整改：

(1)將輸入軸、輸出軸中間連接軸承由深溝球軸承更改為滾針軸承，盡量選用直徑大的軸承，以保證可以承載較大徑向力[6]。

(2)另外，在輸入軸、輸出軸兩端軸承增加卡環(huán)、蓋板軸向定位結(jié)構(gòu)，保證中間滾針軸承不受軸向力。

2.4第4次測(cè)試

將第3輪整改后的減速器搭上臺(tái)架，依據(jù)臺(tái)架耐久測(cè)試條件，對(duì)減速器進(jìn)行第4次臺(tái)架測(cè)試。測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3　測(cè)試數(shù)據(jù)

測(cè)試結(jié)論：在達(dá)到規(guī)定加載載荷和試驗(yàn)時(shí)間后主要零件(齒輪、軸、軸承、殼體等)無(wú)損壞，齒輪無(wú)齒輪斷裂、齒面嚴(yán)重點(diǎn)蝕現(xiàn)象。

3　結(jié)論

通過(guò)4次臺(tái)架測(cè)試、3次方案優(yōu)化，終于找出減速器軸承失效的原因，并且找到正確的處理方法。得出以下結(jié)論：

(1)齒輪旋向的設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致軸承受不同方向的軸向力，會(huì)造成軸承在使用過(guò)程中內(nèi)、外圈的脫離，從而造成軸承失效[6-8]；

(2)在設(shè)計(jì)軸承安裝結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)充分考慮軸承潤(rùn)滑情況，保證軸承良好的潤(rùn)滑環(huán)境，可以大大提高軸承使用壽命；

(3)選擇軸承型式時(shí)，要充分考慮使用軸承結(jié)構(gòu)的受力情況，保證所選軸承可以承受相應(yīng)的力，確保軸承的承載能力，從而保證部件的壽命；

(4)在軸承特殊的工作環(huán)境下，可以增加相應(yīng)零件，譬如卡環(huán)、密封圈等，以改善軸承工作環(huán)境。

【1】曉辰.城市電動(dòng)商用車的運(yùn)行模式[J].輕型汽車技術(shù),2012(1):35-36.

【2】QC/T 568.1-2011汽車機(jī)械式變速器總成臺(tái)架試驗(yàn)方法.第1部分：微型[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2011.

【3】Q/JQ 2121-2013單級(jí)減速器技術(shù)條件[M].

【4】黃曉輝.某深溝球軸承失效分析[J].哈爾濱軸承,2014(1):18-19,22.

【5】孫恒.機(jī)械原理[M].7版.西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2013.

【6】成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].5版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008:(7-202)-(7-274).

【7】檀駿,余曉流,談莉斌.球軸承軸向承載能力研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)及制造,2014(7):45-48.

【8】冀勇彪.變速箱軸承早期失效分析及解決措施[J].機(jī)械管理開(kāi)發(fā),2012(3):83-84.

Bearing Failure Analysis and Resolution for an Electric Commercial Vehicle Retarder

WAN Yuanyuan,TANG Yuhui

(Technical Center,Anhui Jianghuai Automobile Co.,Ltd., Hefei Anhui 230601,China)

The abnormal phenomenon of an electric commercial vehicle retarder during bench test was studied. The reducer was disassembled to analyze. From the points of the rotation design of gears,the bearing hole design,the bearing lubrication mode design,the fixing orientation of bearing and the type of bearing,the failure problem of bearing was resovled.Finally,the durability test of the retarder is passed, it can meet the life requirement.

Electric commerical vehicle;Retarder;Bearing;Failure analysis

2015-05-13

萬(wàn)媛媛(1984—)，女，工學(xué)碩士，工程師，主要從事于新能源汽車電驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研發(fā)。E-mail:wanyuanyuan1984@163.com。