（華菱星馬（集團(tuán)）汽車股份有限公司，馬鞍山243061）

某柴油機(jī)雙聯(lián)齒輪軸承失效試驗(yàn)分析

付艷麗，張學(xué)龍，王 奔

（華菱星馬（集團(tuán)）汽車股份有限公司，馬鞍山243061）

某柴油機(jī)雙聯(lián)齒輪軸承出現(xiàn)失效，從齒輪及其軸承尺寸、緊固螺栓預(yù)緊力和軸承潤滑條件，試驗(yàn)人員通過臺(tái)架試驗(yàn)的方法，找出了不同設(shè)計(jì)方案的差異性，為明確改進(jìn)方案提供了有力證明。

雙聯(lián)齒輪失效臺(tái)架試驗(yàn)

1 前言

雙聯(lián)齒輪是齒輪系統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)中一個(gè)重要的驅(qū)動(dòng)部件，某型柴油機(jī)投放市場(chǎng)后，多次出現(xiàn)雙聯(lián)齒輪軸承失效問題，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，失效里程從零公里到幾萬公里不等。軸承作為一種常用的機(jī)械零件，在柴油機(jī)的設(shè)計(jì)中也普遍使用，如曲軸、連桿、凸輪軸等主要承載部位經(jīng)常采用該結(jié)構(gòu)，以承受一定的旋轉(zhuǎn)載荷。由于軸承的工作條件比較惡劣，但結(jié)構(gòu)尺寸卻受到嚴(yán)格限制，因而軸承的壽命和可靠性一直是軸承設(shè)計(jì)領(lǐng)域和機(jī)械開發(fā)試驗(yàn)領(lǐng)域比較關(guān)注的問題[1]。

本文主要通過對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和潤滑情況進(jìn)行了分析，并通過試驗(yàn)對(duì)不同結(jié)構(gòu)下的產(chǎn)品的差異性進(jìn)行了對(duì)比，為以后的產(chǎn)品開發(fā)提供了經(jīng)驗(yàn)積累。

2 失效件的基本情況

雙聯(lián)齒輪在樣機(jī)齒輪室的安裝位置如圖1所示，該機(jī)為后置齒輪室，試驗(yàn)樣機(jī)在磨合試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行整車試驗(yàn)，冷機(jī)啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)“咔嚓咔嚓”異響，發(fā)動(dòng)機(jī)無法啟動(dòng)，曲軸無法盤動(dòng)。拆機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)雙聯(lián)齒輪軸承抱死，大小齒輪完全脫離，同時(shí)固定雙聯(lián)齒輪的4個(gè)螺栓中的2個(gè)折斷，2個(gè)折彎。失效雙聯(lián)齒輪及軸承如圖2所示。

圖1 雙聯(lián)齒輪及安裝位置

圖2 失效齒輪及軸承

3 失效原因分析

3.1 齒輪軸、軸承尺寸檢查

隨機(jī)抽查5組齒輪-軸承部件，使用內(nèi)徑氣動(dòng)量表對(duì)齒輪軸承內(nèi)徑進(jìn)行測(cè)量，使用CMM（三坐標(biāo)測(cè)量儀）對(duì)齒輪軸軸徑進(jìn)行測(cè)量，使用圓度儀對(duì)齒輪軸和軸承的圓度進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)5組樣件的檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雙聯(lián)齒輪軸軸徑、軸承內(nèi)徑和圓柱度的尺寸及公差均滿足圖紙要求，偏差控制相對(duì)穩(wěn)定，圓度的差異也處在可接受的范圍內(nèi)，不是產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)尺寸問題所導(dǎo)致的失效。

3.2 齒輪緊固螺栓檢查

對(duì)雙聯(lián)齒輪緊固螺栓的擰緊工藝進(jìn)行校核，符合圖紙要求。供應(yīng)商對(duì)螺栓進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，拉伸應(yīng)力-應(yīng)變特性曲線如圖3所示。螺栓的性能指標(biāo)均滿足要求，也不是螺栓問題導(dǎo)致的失效問題。

圖3 螺栓力-位移曲線

3.3 潤滑條件分析

3.3.1 直徑與寬度

進(jìn)一步檢查軸承的結(jié)構(gòu)尺寸，發(fā)現(xiàn)軸承的油槽截面大小不一，雙聯(lián)齒輪上的泄油槽大小也不一致，二者均不滿足設(shè)計(jì)尺寸要求，存在多數(shù)軸承油槽偏淺，卸油槽偏小的情況。對(duì)于柴油機(jī)來說，低溫啟動(dòng)相對(duì)來說是比較惡劣的工況，因?yàn)榇藭r(shí)機(jī)油溫度較低，機(jī)油黏度相對(duì)較大，啟動(dòng)瞬時(shí)影響油膜的形成，容易出現(xiàn)軸承的拉傷問題[2]。

軸承潤滑油膜承載能力與軸承寬度的三次方成比例[2]。為形成足夠厚度的油膜，常選用盡量大的B/D值，其中B為軸承寬度，D為軸承直徑。但寬度過大，潤滑油油量減少，摩擦發(fā)熱加劇，潤滑油溫升高。實(shí)踐證明，軸承B/D值推薦范圍一般為0.4～0.6[2]。根據(jù)圖紙?jiān)紨?shù)據(jù)，軸承油槽寬62 mm，軸頸65 mm，該軸承的B/D＝0.95，并不處于推薦的最佳范圍內(nèi)。樣件的實(shí)際測(cè)量結(jié)果表明，油槽偏窄，槽深也偏淺。這就意味著實(shí)際的軸承太寬，柴油機(jī)在低溫啟動(dòng)的情況下，潤滑油根本無法布滿軸承表面形成液態(tài)潤滑，極有可能存在因潤滑不足而導(dǎo)致的失效問題。

3.3.2 軸承間隙

任何一副軸承運(yùn)動(dòng)副，都需要一定的軸承間隙來形成潤滑油膜。潤滑油膜厚度反映了運(yùn)動(dòng)副的熱態(tài)間隙，考慮到零件的表面形狀、熱態(tài)變形、機(jī)械變形等因素，軸承必須保證其有合理的間隙范圍。經(jīng)驗(yàn)推薦值為0.05～0.14 mm，產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求為0.03～0.078 mm。根據(jù)抽檢的5組產(chǎn)品的數(shù)據(jù)來看，軸承間隙基本在0.04 mm左右，雖然符合設(shè)計(jì)要求，但偏于公差帶的下限區(qū)域。

3.4 軸承潤滑的理論依據(jù)

內(nèi)燃機(jī)使用的潤滑油，其黏度是隨溫度的高低、壓力的大小以及剪切速度的快慢而變化的。在工程中使用的潤滑油因?yàn)樘砑觿┏煞值牟煌?，而出現(xiàn)不同的黏溫特性，也就是說每種潤滑油黏度隨溫度的變化而變化，一定的溫度會(huì)對(duì)應(yīng)一定的黏度。50℃以下黏度隨溫度的變化比較顯著，較低溫度會(huì)出現(xiàn)較大黏度，甚至?xí)霈F(xiàn)“黏滯”現(xiàn)象，無法形成流體動(dòng)力潤滑，從而在運(yùn)動(dòng)副中形成干摩擦。在摩擦學(xué)中，摩擦通常被分為四種：干摩擦、邊界摩擦、混合摩擦和流體摩擦。

前三種摩擦系數(shù)較大，摩擦損失較大，而且長時(shí)的干摩擦可以直接導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)副的失效。邊界摩擦和混合摩擦僅僅是形成流體摩擦的瞬時(shí)狀態(tài)，流體摩擦是所有摩擦種類中摩擦損失最小的摩擦形式，還可以形成較大的油膜壓力承載，這就是軸承潤滑的理論基礎(chǔ)。1883年，英國工程師研究了鐵路軸箱軸承的潤滑問題，1886年，O.Reynolds根據(jù)流體力學(xué)的原理，分析了潤滑油在間隙中的流動(dòng)，建立了著名的雷諾方程，在隨后的一百多年的時(shí)間里，雷諾方程一直是解決工程實(shí)際問題的典范。根據(jù)雷諾方程，油膜厚度、動(dòng)力黏度、油膜壓力、流動(dòng)速度相互影響[3]，決定了運(yùn)動(dòng)副的潤滑狀態(tài)，雷諾方程也是有限元法求解軸承動(dòng)力學(xué)模擬分析的依據(jù)；簡單來說，油膜厚度的分布狀態(tài)決定了油膜壓力分布，而運(yùn)動(dòng)副的配合間隙和潤滑油的黏度則決定了油膜的狀態(tài)。

4 改進(jìn)設(shè)計(jì)

基于以上分析，為驗(yàn)證潤滑因素的影響，設(shè)計(jì)部給出了兩種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，見表1。軸承油槽和雙聯(lián)齒輪泄油槽優(yōu)化設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

圖4 雙聯(lián)齒輪軸承油槽

圖5 雙聯(lián)齒輪軸溫度傳感器布置

圖6 機(jī)油溫度對(duì)比曲線

圖7 齒輪軸溫度Tgl對(duì)比曲線

5 試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

為確保結(jié)果的可靠性，相同條件下的試驗(yàn)，對(duì)上述三個(gè)方案重復(fù)進(jìn)行對(duì)比比較。

5.1 試驗(yàn)傳感器的布置

為便于各試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，選擇齒輪軸溫度進(jìn)行試驗(yàn)跟蹤，采樣頻率10 Hz，試驗(yàn)前進(jìn)行齒輪軸加工，安裝不同深度的熱電偶2個(gè)，傳感器尾線從飛輪殼穿出，試驗(yàn)傳感器安裝及布置如圖5所示。

5.2 試驗(yàn)測(cè)試方案

試驗(yàn)機(jī)油選擇機(jī)油15W-40進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)工況的選擇原則是選擇相對(duì)苛刻的運(yùn)行工況和模擬樣機(jī)的失效工況，見表2。

表1 改進(jìn)方案

表5 試驗(yàn)測(cè)試工況

5.3 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

5.3.1 低溫冷起動(dòng)加速試驗(yàn)

圖6～圖8為低溫冷起動(dòng)加速試驗(yàn)結(jié)果。從三種狀態(tài)的試驗(yàn)結(jié)果來看，軸承的不同結(jié)構(gòu)直接影響了齒輪軸溫度的差異，原方案和兩種改進(jìn)方案相比，前60 s溫度的變化有差異，原設(shè)計(jì)方案齒輪軸溫度在樣機(jī)啟動(dòng)后迅速持續(xù)上升，而改進(jìn)方案1和改進(jìn)方案2齒輪軸溫度是逐步上升；210 s后，原方案齒輪軸溫度較改進(jìn)方案軸溫要高10℃左右；改進(jìn)方案1和改進(jìn)方案2相比，210 s后的最終溫度差異不大。

5.3.2 低溫PTO加載試驗(yàn)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，即便是穩(wěn)態(tài)的試驗(yàn)循環(huán)，不同軸承方案也出現(xiàn)了齒輪軸溫度的差異和機(jī)油壓力的差異，從而驗(yàn)證了前面的分析，見圖9～圖11。改進(jìn)方案2和改進(jìn)方案1的差異不是太明顯，但改進(jìn)方案1的機(jī)油壓力比改進(jìn)方案2的壓力偏高，考慮到改進(jìn)方案1比改進(jìn)方案2更容易實(shí)現(xiàn)，因而采用改進(jìn)方案1作為變更設(shè)計(jì)的優(yōu)選方案。

采用改進(jìn)方案1進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)后，經(jīng)整車耐久試驗(yàn)考核和客戶試驗(yàn)考核，截止目前為止，尚未再次出現(xiàn)類似雙聯(lián)齒輪的失效事件。

圖8 齒輪軸溫度Tgs對(duì)比曲線

6 結(jié)論

本文通過試驗(yàn)方法，對(duì)雙聯(lián)齒輪失效問題進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：

（1）造成軸承失效的根本原因是齒輪副的潤滑問題，原軸承設(shè)計(jì)方案不夠合理。

（2）在軸承生產(chǎn)過程中，對(duì)油槽的加工沒有引起足夠的重視，從而造成了軸承油槽的結(jié)構(gòu)尺寸不合格，后續(xù)生產(chǎn)中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)零部件的質(zhì)量控制，提高零件的檢測(cè)頻次。

（3）對(duì)雙聯(lián)齒輪的不同設(shè)計(jì)方案的試驗(yàn)對(duì)比，證明了軸承結(jié)構(gòu)對(duì)齒輪軸溫度和機(jī)油溫度有直接的影響。對(duì)于無法進(jìn)行潤滑模擬計(jì)算的企業(yè)，該試驗(yàn)分析對(duì)比具有積極的現(xiàn)實(shí)意義，可以快速為設(shè)計(jì)改進(jìn)提供明確的方向。

圖9 機(jī)油壓力對(duì)比曲線

圖10 齒輪軸溫度Tgl對(duì)比曲線

圖11 齒輪軸溫度Tgs對(duì)比曲線

[1]周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

[2]柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)編輯委員會(huì).柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)機(jī)械工業(yè)出版社，1984.

[3]陳傳舉.內(nèi)燃機(jī)活塞裙部型面設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

Failure Analysis and Test of Stepped Gear Bearing of Diesel Engine

Fu Yanli,Zhang Xuelong,Wang Ben
（Hualing Automobile Co.,Ltd.,Maanshan 243061,China）

One engine stepped-gear occurred failure,test guy use the test method to find the difference for different improved solutions,verify the difference,provided strongly the evidence for clear improvement.

stepped gear bearing,failure,rig test

10.3969/j.issn.1671-0614.2017.01.008

來稿日期：2016-05-21

付艷麗（1978-），女，工程碩士，主要研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)機(jī)械開發(fā)試驗(yàn)。