平子維 周友國 黃進 張安東 陳小蘇

(重慶鐵馬變速箱有限公司， 重慶市 400045)

0 概述

變速器中輸入軸、被動齒輪和行星齒輪常用圓柱滾子或滾針軸承支撐，由于影響軸承失效的原因較多，在產(chǎn)品的研制過程中，難免會存在軸承早期失效，本文舉例分析了重型特種車輛變速器中兩種典型的滾子軸承失效機理，并提出了相應(yīng)的解決方法。

2 空轉(zhuǎn)滾針軸承失效分析

變速器軸上空套齒輪內(nèi)的滾針軸承，存在的典型工況為受載時無相對轉(zhuǎn)速，有相對轉(zhuǎn)速時不受載，針對長期受載的齒輪軸之間有采用液體支撐的方式(取消滾針軸承)。滾針軸承工作時，滾針和襯套、齒輪接觸的時候容易產(chǎn)生“邊緣效應(yīng)”，滾針端部位受到很大的應(yīng)力，這也是疲勞最先出現(xiàn)的地方。當(dāng)齒輪受到傾覆力矩時，使?jié)L道副發(fā)生傾斜，滾針軸承實際接觸部位的接觸長度難以保證，同時保持架可能異常受力。ZF公司對該類滾針軸承的失效模式進行了分類[1]，如表1所示。

表1 滾針軸承失效分類Table 1 Failure classification of needle roller bearings

當(dāng)軸承在運轉(zhuǎn)過程中受到微動磨損時，會在齒輪或軸套上出現(xiàn)凹坑，如圖1所示[2]。

圖1 軸承損傷表面Fig.1 Bearing damage surface

斜齒輪受軸向力，在運轉(zhuǎn)過程中形成擺動，齒輪內(nèi)孔相對于滾針軸承產(chǎn)生了徑向壓力作用下的小位移軸向往復(fù)運動，使接觸表面足以接近范德瓦爾力(一定距離內(nèi)的原子之間通過偶極發(fā)生的相互作用，本質(zhì)上也是靜電引力)起作用的程度，從而導(dǎo)致材料脫離母體，然后被氧化。由于軸向往復(fù)運動，出現(xiàn)等距磨損，這種凹坑也是由于浸蝕磨損導(dǎo)致材料磨蝕。滾針軸承硬度偏高，所以磨損的是襯套或齒輪。如果變速器輸入端傳動軸的角度太大產(chǎn)生的振動會加速滾針軸承的損壞。

針對變速器內(nèi)的滾針軸承早期失效，目前存在的解決辦法包括：

(1) 增加滾針長度，滾針個數(shù)，滾針直徑，來減小局部壓力；

(2) 減小保持架間隙，斜齒大于300μm，可以減小齒輪的軸向串動間隙，另外可以通過分組選配的方式減小徑向間隙；

(3) 加強保持架，避免軸承早期失效；

(4) 提高表面硬度和降低粗糙度，使用硬質(zhì)涂層可減緩軸承的微動磨損，F(xiàn)AG在軸承滾道上涂有磷酸鋅薄層或鉻基薄層可增加其抗微動磨損的能力；

(5) 增加油孔數(shù)量，提高潤滑油極性壓力；

(6) 通過保持架開口或剖分為兩半；

(7) 通過改變保持架形式調(diào)整軸承和齒輪、襯套間的相對速差。

3 行星齒輪圓柱滾子軸承失效分析

某變速器斜齒行星機構(gòu)內(nèi)圓柱滾子軸承(如圖2)工作時，滾子同時受到徑向力和軸向力，如圖3所示[2]。滾子兩端受擠壓出現(xiàn)傾斜，滾子一端被擠壓后壓向保持架產(chǎn)生摩擦，保持架出現(xiàn)早期失效。

圖2 圓柱滾子軸承實物Fig.2 Cylindrical roller bearings

(a)

(b)

(c)

(d)圖3 滾子受力情況Fig.3 The stress on the roller

一種辦法是提高保持架的承載能力和耐磨性能，但需要定制專用軸承，另一種有效的解決辦法之一是讓軸承只承受徑向載荷，為進一步加強軸承的徑向承載能力，把圓柱滾子軸承變?yōu)槊芘艥L子軸承，如圖4所示。

圖4 行星機構(gòu)三維模型Fig.4 3D model of planetary mechanism

上述滾針軸承的“邊緣效應(yīng)”，在滾子軸承中也會出現(xiàn)，滾子和滾道凸度是用來避免產(chǎn)生導(dǎo)致滾動原件過早疲勞失效的邊緣載荷，大多數(shù)只在滾子輪廓的一部分帶有凸度(中間部分為圓柱面)，如圖5所示。

在測試過程中，出現(xiàn)過軸承內(nèi)滾道(行星輪軸早期磨損問題)，如圖6所示：

對該失效模式進行分析，可能存在如下原因。

(1) 振動磨損

變速器行星齒輪軸承承受復(fù)雜的動態(tài)載荷，行星框架的不平衡度、齒輪嚙合沖擊、行星架單軸承定位造成的擺動等均會增加軸承的動載荷。如果把壓力角減小，使齒輪的重合度提高，控制齒圈M值，同時降低框架的不平衡量，減小振動沖擊，可減緩上述行星輪軸的磨損。國內(nèi)、外學(xué)者根據(jù)不同的研究對象和目的，建立了不同類型的動力學(xué)分析模型，而且模型考慮的因素不斷完善，涵蓋了齒側(cè)間隙、時變嚙合剛度、齒輪制造和安裝誤差等非線性因素，并在行星齒輪的動力學(xué)特性方面取得了豐碩的成果。影響重合度的因素包括齒數(shù)、壓力角、齒寬、螺旋角、齒頂高系數(shù)以及安裝中心距等。受結(jié)構(gòu)限制，本機構(gòu)齒數(shù)、齒寬、螺旋角等已經(jīng)固定，就壓力角、齒頂高系數(shù)以及齒側(cè)間隙變化后對行星輪軸應(yīng)力的影響進行分析。在20°壓力角，齒頂高系數(shù)取1時，行星輪的重合度為2.52，增加重合度，齒面接觸線總長度加長，齒面單位接觸面的平均載荷減小，可以降低輪齒嚙合剛度的突變幅度。

圖5 滾子參數(shù)Fig.5 Roller parameters

圖6 行星輪軸磨損情況Fig.6 Planetary axle wear

圖7 重合度與壓力角和變位系數(shù)的關(guān)系[7]Fig.7 The relationship between coincidence degree and pressure angle and displacement coefficient

由圖7可知，壓力角和齒頂高系數(shù)對外嚙合齒輪副重合度的影響較為顯著，減小壓力角，或增加齒頂高系數(shù)可以有效地增大外嚙合齒輪的重合度。當(dāng)齒頂高系數(shù)取值范圍為 1.1～1.35 和壓力角取值范圍為 15°～20°時，滿足外嚙合齒輪的高重合度參數(shù)設(shè)計要求的區(qū)間。所以本例斜齒行星輪參數(shù)可以進一步優(yōu)化。

通過ADAMS動力學(xué)分析(如圖8所示)，對比優(yōu)化前和優(yōu)化后(改變變位系數(shù))的行星輪受載情況，沖擊力矩明顯增大，解決這類力學(xué)問題最強有力的工具是有限元分析技術(shù)。然而對軸承進行有限元分析必然涉及大量的非線性接觸問題。由于滾動體與內(nèi)外圈的接觸面積很小，為了得到合理的接觸力及接觸斑大小，需要劃分極其細小的有限元網(wǎng)格，造成計算規(guī)模的急劇增加，尤其對于整箱的軸承而言，龐大的接觸對數(shù)量及單元尺寸使得計算收斂極其困難。英國的Romax軟件在計算接觸問題時，采用了獨特和先進的理論接觸算法，在處理單元數(shù)量及接觸對數(shù)量龐大的大規(guī)模接觸問題時，有著極高的效率和準確性。

圖9 ROMAXA分析結(jié)果Fig.9 ROMAX analysis result

滾子接觸處的摩擦系數(shù)是滑動速度的函數(shù)，而滑動速度在內(nèi)滾道接觸處最大，從ROMAX分析結(jié)果來看(見圖9)，接觸應(yīng)力最大處集中在115°附近，與行星輪軸失效的部位一致。

(2) 油液污染磨損

良好的潤滑油過濾可以顯著地改進壽命，變速器中齒輪磨粒、鑄造顆粒等很容易使良好的油膜破裂，變速器在油液清洗時過濾精度一般在20 μm-50 μm之間，大多數(shù)時候未對油液進行清洗，如圖10所示，油液的顆粒污染對軸承的壽命影響較大。

(3) 潤滑不充分磨損

潤滑膜可以將滾動體與接觸滾道隔開，滾動體和滾道接觸區(qū)存在的流體摩擦力明顯地改變軸承的運轉(zhuǎn)狀態(tài)。高速運轉(zhuǎn)會使疲勞壽命明顯增加，在變速器低速行駛時，輸入轉(zhuǎn)速偏低、油泵流量較小，同時行星輪轉(zhuǎn)速較低，油膜厚度變小。滾動體速度受到摩擦的影響，速度又影響到滾動零件的離心力、陀螺力矩以及軸承壽命，在高速下，過大的摩擦?xí)節(jié)L動體在整個滾道內(nèi)滑動，打滑造成滾道表面擦傷，滾子的擋邊也會有影響，如果接觸表面加工極光滑，可以提高有效油膜厚度，這樣打滑不會損壞軸承表面。

圖10 油液過濾精度和軸承壽命的關(guān)系[2]Fig.10 Relationship between oil filtration accuracy and bearing life

由參考文獻[2]可計算出油膜的最小厚度0.07 μm(行星輪相對框架轉(zhuǎn)速368 r/min時)，油膜厚度與速度、滾子長度、油液粘度成正比關(guān)系，與載荷關(guān)系不大，行星輪軸表面粗糙度為0.4 μm，滾子表面粗糙度為0.16 μm，GL-5 85W/90潤滑油，根據(jù)參考文獻[2]計算出油膜厚度和壽命的比例系數(shù)為0.13。

如圖11所示，0.13對應(yīng)的L/L10((油膜厚度與壽命的比值))已經(jīng)很小了，容易造成軸承早期損壞。以上計算假設(shè)行星輪長時間在1擋低速運轉(zhuǎn)，實際上變速器1擋使用頻率較低，但在臺架強化時間時，避免長時間用1擋工況進行試驗，防止造成軸承早期失效。

潤滑油膜計算是建立在潤滑充分的條件下，行星輪軸承靠飛濺和強制潤滑相結(jié)合，可以增大油泵排量，保證潤滑油的供油充分。

圖11 油膜厚度與壽命的關(guān)系[2]Fig.11 The relationship between oil film thickness and service life

4 總結(jié)

特種車輛變速器在使用過程中存在一些特殊工況，同時又面臨著高功率密度、高轉(zhuǎn)速的發(fā)展要求，對變速器中滾子軸承的壽命提出了挑戰(zhàn)，對軸承失效模式充分的認識，有助于設(shè)計出高可靠性的變速器。