孫志旗，黃金鵬，杜天義

（江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330000）

0 引言

近年來，隨著汽車的逐漸普及，人們對(duì)汽車的舒適性等要求不斷提升，因此，自動(dòng)變速箱的滲透率快速提升，手動(dòng)變速箱的市場(chǎng)份額急劇下降。但是，手動(dòng)變速箱具有機(jī)械可靠性高、傳動(dòng)效率高、購(gòu)買使用成本低、維修簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，故手動(dòng)變速箱特別是商用車手動(dòng)變速箱仍將是變速箱領(lǐng)域的重要組成部分。手動(dòng)變速箱未來必定是朝著高安全可靠性、高性能的方向發(fā)展。

滾針軸承若失效，必然會(huì)造成車輛重大損失，甚至造成安全事故。因此，有必要對(duì)其進(jìn)行失效分析，掌握其運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)及常見失效形式和失效機(jī)理，以便更好地采取預(yù)防措施。

軸承燒蝕的原因很多，包括間隙配合、強(qiáng)度設(shè)計(jì)、零件尺寸加工、清潔度、裝配工藝等。本文針對(duì)變速器滾針軸承燒蝕原因進(jìn)行分析研究，以期為軸承燒蝕及其他傳動(dòng)類零件燒蝕失效分析及前期變速箱開發(fā)提供參考。

1 問題描述

某新開發(fā)輕型后驅(qū)卡車在進(jìn)行下線駕評(píng)行駛過程中，發(fā)生后輪抱死故障，導(dǎo)致車輛無法行駛。通過確認(rèn)試車信息和故障總成拆解現(xiàn)象分析，二檔從動(dòng)齒輪處二檔滾針燒蝕、變形，如圖1所示。

圖1 滾針軸承燒蝕、變形

2 故障原因分析

2.1 失效機(jī)理分析

為了保證檔位齒輪能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，滾針軸承和齒輪之間一定是間隙配合，并且潤(rùn)滑要充分[1]。如果出現(xiàn)過盈或者潤(rùn)滑不充分問題，就會(huì)導(dǎo)致齒輪和滾針軸承兩者之間運(yùn)轉(zhuǎn)不暢，異常磨損發(fā)熱，發(fā)熱產(chǎn)生高溫，導(dǎo)致零件熱脹。如此惡性循環(huán)，短時(shí)間內(nèi)導(dǎo)致滾針軸承燒蝕，變速箱卡死[2]。

2.2 可能原因分析

基于滾針軸承失效進(jìn)行魚骨刺圖可能原因分析，分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 滾針軸承燒蝕魚骨刺圖

2.3 故障零件分析

2.3.1 尺寸分析

二軸二檔部位損壞嚴(yán)重，無法檢測(cè)實(shí)際尺寸，調(diào)取裝配前全檢尺寸報(bào)告，零件原始狀態(tài)尺寸均合格；對(duì)故障件未燒蝕部位進(jìn)行尺寸測(cè)量，滿足要求，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 故障零件配合尺寸檢測(cè)結(jié)果

2.3.2 材質(zhì)檢測(cè)

二軸二檔從動(dòng)齒輪及二軸材質(zhì)為8620H，根據(jù)《熱鍛及冷加工碳素鋼和合金鋼棒》（ASTM A29/A29M-2015）標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)二檔從動(dòng)齒輪及二軸故障件材質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表2所示，化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3.3 材料金相

結(jié)果：對(duì)故障二軸表面磨過后，有效硬化層深0.91 mm，表面硬度HRC60.1，心部硬度HRC346，碳化物1級(jí)，殘余奧氏體1級(jí)，馬氏體1級(jí)。金相無異常，滿足要求，結(jié)果如圖3所示。

圖3 故障二軸金相

2.4 異物排查

對(duì)故障變速器內(nèi)部進(jìn)行檢查，油道無堵塞，該變速器各檔位齒輪共采用6個(gè)滾針軸承，如為清潔度或油品問題，不會(huì)集中造成某一檔位滾針軸承燒蝕。另隨機(jī)抽取3臺(tái)生產(chǎn)線下線總成進(jìn)行清潔度檢測(cè)，均合格，如表3所示，基本排除異物侵入導(dǎo)致滾針軸承燒蝕的可能。

表3 變速器總成清潔度檢測(cè)結(jié)果

2.5 潤(rùn)滑油排查

對(duì)故障變速器的潤(rùn)滑油進(jìn)行檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)異常指標(biāo)，測(cè)試結(jié)果如表4所示，同款變速箱搭載此款潤(rùn)滑油已完整通過3臺(tái)45 000 km的整車耐久試驗(yàn)，故可以排除潤(rùn)滑油的因素。

表4 故障變速器潤(rùn)滑油檢測(cè)結(jié)果

2.6 二軸二檔潤(rùn)滑設(shè)計(jì)

二檔齒輪剖視圖如圖4所示。二檔潤(rùn)滑采用常規(guī)兩端帶油槽設(shè)計(jì)，無徑向油孔，二檔齒輪潤(rùn)滑存在優(yōu)化空間，可以考慮增加徑向油孔。

圖4 二檔齒輪剖視圖

2.7 軸強(qiáng)度校核

450 N·m工況下，各軸的疲勞安全系數(shù)（標(biāo)準(zhǔn)＞0.8）、靜強(qiáng)度安全系數(shù)（標(biāo)準(zhǔn)＞2）均符合標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)要求，疲勞分析結(jié)果如圖5所示，靜強(qiáng)度分析結(jié)果如圖6所示。

圖5 齒軸疲勞安全系數(shù)

圖6 齒軸靜強(qiáng)度安全系數(shù)

2.8 二軸變形量校核

400 N·m和450 N·m工況下，二軸撓度變形量最大點(diǎn)位置相同，都在四檔和六檔之間，變形量分別為183 μm和199 μm，小于300 μm，均符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，分析結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 400 N·m工況下二軸撓度變形量

圖8 450 N·m工況下二軸撓度變形量

2.9 軸承校核

450 N·m工況下，各軸承損傷率均小于50%，如表5所示，滿足設(shè)計(jì)要求，排除軸承設(shè)計(jì)選型不合理的因素。

表5 軸承損傷率分析結(jié)果

2.10 尺寸鏈校核

對(duì)輸出軸滾針軸承與齒輪間隙進(jìn)行極限尺寸計(jì)算校核，如表6所示。從計(jì)算結(jié)果看，輸出軸滾針軸承與齒輪裝配后極限情況下理論最小間隙為0.02 mm，輸出軸滾針軸承與齒輪之間最大過盈量為0.058 mm。

表6 輸出軸滾針軸承與齒輪間隙計(jì)算結(jié)果

根據(jù)理論計(jì)算，極限尺寸下滾針軸承存在合理間隙可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)[3]，但在實(shí)際生產(chǎn)中會(huì)存在軸承間隙相應(yīng)減小的樣件，會(huì)導(dǎo)致滾針軸承間隙過小引起運(yùn)轉(zhuǎn)卡滯[4]。

2.11 影響因子分析對(duì)比試驗(yàn)

2.1 1.1二軸二檔潤(rùn)滑

借鑒其他類型變速箱，在二軸二檔齒輪設(shè)計(jì)3個(gè)直徑為3 mm的徑向油孔，改進(jìn)前后對(duì)比，如圖9、圖10所示。

圖9 齒輪潤(rùn)滑改進(jìn)前

圖10 齒輪潤(rùn)滑改進(jìn)后

1）試驗(yàn)樣本：樣本一，為二檔齒輪增加徑向油孔；樣本二，未做調(diào)整。

2）試驗(yàn)方法：兩臺(tái)總成進(jìn)行疲勞耐久試驗(yàn)，加載扭矩450 N·m，轉(zhuǎn)速2 000 rpm，六檔在檔運(yùn)轉(zhuǎn)49 h，二檔運(yùn)轉(zhuǎn)32 h。

3）試驗(yàn)結(jié)果：如圖11、圖12所示，兩臺(tái)試驗(yàn)樣本拆箱檢查二檔處均未出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象，有徑向油孔的齒輪內(nèi)孔和滾針軸承處油量明顯要充足些，說明加徑向油孔，二檔齒輪潤(rùn)滑更充分。

圖11 齒輪潤(rùn)滑改進(jìn)前：無徑向油孔試驗(yàn)結(jié)果

圖12 齒輪潤(rùn)滑改進(jìn)后：有徑向油孔試驗(yàn)結(jié)果

2.1 1.2配合尺寸超差

模擬零件尺寸超差或各零件關(guān)鍵尺寸處于極限公差，分別制作樣件，壓裝后裝配在變速器總成上，進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，觀察滾針軸承運(yùn)動(dòng)狀況及失效磨損。

試驗(yàn)方案：如圖13所示，高速燒傷試驗(yàn)臺(tái)，變速器加注專用齒輪油4 L，掛入六檔，然后試驗(yàn)臺(tái)分別以轉(zhuǎn)速1 600 rpm（低速）運(yùn)轉(zhuǎn)1 h、轉(zhuǎn)速3 200 rpm（高速）運(yùn)轉(zhuǎn)1 h，高低速交替運(yùn)行；高低速交替運(yùn)行8 h，運(yùn)行過程中無異常，拆箱檢查，二檔位置零件完好。

圖13 變速器高速燒傷試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

通過故障模式再現(xiàn)試驗(yàn)可以看出，當(dāng)二檔齒輪軸向間隙正常時(shí)正常運(yùn)轉(zhuǎn)8 h未發(fā)現(xiàn)異常，而當(dāng)二檔齒輪軸向間隙小于最小間隙要求尺寸時(shí)，運(yùn)轉(zhuǎn)干涉，短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)滾針軸承燒蝕現(xiàn)象，失效模式和故障車輛上滾針軸承燒蝕的失效模式相同。

3 根本分析

通過上述分析及試驗(yàn)驗(yàn)證可知，導(dǎo)致變速器二檔從動(dòng)齒輪處二檔滾針燒蝕、變形的根本原因?yàn)橐韵聝牲c(diǎn)：1）主因：零件加工不合格，導(dǎo)致二檔齒輪軸向間隙超差；2）次因：二軸二檔潤(rùn)滑設(shè)計(jì)潤(rùn)滑不充分。

4 永久措施

1）主因優(yōu)化方案：①關(guān)鍵零件要求全檢，內(nèi)購(gòu)件提供檢測(cè)報(bào)告，零件實(shí)物可能存在檢驗(yàn)誤差，增加總裝復(fù)檢；②齒軸類零件熱后內(nèi)孔、外圓加工增加自檢和巡檢頻次。

2）次因優(yōu)化方案：二軸二檔齒輪設(shè)計(jì)3個(gè)直徑為3 mm的徑向油孔。

3）永久措施驗(yàn)證：生產(chǎn)線隨機(jī)抽查3臺(tái)，進(jìn)行檢測(cè)并臺(tái)架耐久驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如表8所示。

表8 主因優(yōu)化方案驗(yàn)證結(jié)果

4）結(jié)論：①通過加強(qiáng)控制零件關(guān)鍵尺寸，二檔齒輪軸向間隙滿足要求且間隙穩(wěn)定；②通過在二軸二檔齒輪增加3個(gè)直徑為3 mm的徑向油孔，二軸二檔齒輪的潤(rùn)滑效果改善明顯。

5 結(jié)語

本文通過對(duì)滾針軸承潤(rùn)滑、零件材質(zhì)、熱處理、異物混入、強(qiáng)度校核、尺寸鏈、疲勞設(shè)計(jì)校核等影響軸承燒蝕因素進(jìn)行分析，通過故障再現(xiàn)試驗(yàn)及永久方案驗(yàn)證試驗(yàn)，確定變速器滾針軸承燒蝕的根本原因，從而制定永久的措施，防止?jié)L針軸承燒蝕故障再次發(fā)生，確保新開發(fā)輕型后驅(qū)卡車按時(shí)投產(chǎn)，消除公司駕評(píng)團(tuán)隊(duì)及用戶行車安全風(fēng)險(xiǎn)隱患。