張行峰

某純電動(dòng)汽車后橋軸承失效機(jī)理分析

張行峰

（南京金龍客車制造有限公司，江蘇 南京 211215）

針對某純電動(dòng)汽車后橋主減速器軸承使用過程中出現(xiàn)異響、旋轉(zhuǎn)卡滯及散架問題，通過對軸承失效機(jī)理進(jìn)行研究，結(jié)合故障件外觀、關(guān)鍵尺寸、硬度及金相檢測，分析了某純電動(dòng)汽車后橋軸承失效原因，為解決后橋軸承故障提供解決思路。

純電動(dòng)汽車；后橋；軸承；失效機(jī)理；故障分析

引言

近年來隨著新能源汽車的快速發(fā)展，特別是純電動(dòng)汽車的市場保有量及占有率逐年提升，純電動(dòng)汽車在中國市場備受青睞，其重要性也日益凸顯[1]。

純電動(dòng)汽車后橋主減速器是組成后橋的關(guān)鍵零部件，主要有兩個(gè)作用，一是可以為各個(gè)擋位提供一個(gè)相同的傳動(dòng)比，二是改變動(dòng)力傳輸?shù)姆较?。主減速器中軸承的承載軸及齒輪的載荷，支撐部件的轉(zhuǎn)動(dòng)，保證軸上部件轉(zhuǎn)動(dòng)精度，軸承性能的優(yōu)劣直接影響后橋運(yùn)行的狀態(tài)。

針對售后反饋某批次后橋在使用一段時(shí)間后出現(xiàn)異響的情況，經(jīng)拆解后發(fā)現(xiàn)Ⅱ軸軸承出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)卡滯及散架現(xiàn)象，針對該問題，從售后市場返回后橋4套，拆卸下8套發(fā)生故障的深溝球軸承，開展后橋軸承失效機(jī)理分析。

1 滾動(dòng)軸承常見失效機(jī)理

1.1 接觸疲勞

接觸疲勞通常發(fā)生于軸承工作面上，由于軸承滾動(dòng)時(shí)其工作面受到交變載荷的作用，在軸承工作面上呈現(xiàn)顯微裂紋，然后拓展成小片狀剝落，當(dāng)剝落由表面延伸向內(nèi)延伸就行程深層剝落引起失效[2-3]。

1.2 磨損

磨損通?？煞譃槟チＤp和粘著磨損。磨粒磨損是由于外界堅(jiān)硬粒子侵入軸承，或者由于潤滑不夠充分，在軸承工作表面形成擦傷，隨著接觸面上材料被磨損的越來越多，磨損進(jìn)入一個(gè)加速過程，最終導(dǎo)致軸承失效。

粘著磨損是由于當(dāng)兩個(gè)運(yùn)動(dòng)表面接觸時(shí)會(huì)在摩擦表面生熱，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)回火及淬火現(xiàn)象，在這過程中會(huì)在接觸表面產(chǎn)生應(yīng)力集中導(dǎo)致開裂或剝落[4]。

1.3 腐蝕

腐蝕是由于軸承滾動(dòng)過程中與水或腐蝕性物質(zhì)接觸時(shí)，軸承表面出現(xiàn)氧化，在接觸區(qū)域形成銹蝕，最終導(dǎo)致滾動(dòng)軸承失效。

1.4 塑性變形

當(dāng)軸承所承受的載荷或沖擊過大時(shí)，會(huì)在滾珠體及滾道接觸處發(fā)生塑性變形，裝配操作不當(dāng)或預(yù)載荷過大時(shí)也會(huì)出現(xiàn)過載現(xiàn)象。

1.5 斷裂

當(dāng)軸承外部所加載載荷超過材料本身的強(qiáng)度極限時(shí)將會(huì)產(chǎn)生裂紋，裂紋拓展到一定的程度即造成零部件一部分?jǐn)嗔选?/p>

2 后橋軸承故障件檢測

2.1 某后橋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

某純電動(dòng)汽車后橋主要由橋殼總成、軸承上蓋、從動(dòng)齒輪、差速器、軸承、軸、防塵罩、主減速器殼體、法蘭盤等部件組成，如圖1所示。

某純電動(dòng)汽車采用中置后驅(qū)的布置形式，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過法蘭盤與主減速器連接，驅(qū)動(dòng)力通過輸入軸、中間軸傳遞至差速器，帶動(dòng)左右半軸從而實(shí)現(xiàn)汽車的前進(jìn)及后退[5]。

1—軸承上蓋；2—從動(dòng)齒輪；3—差速器組件；4—Ⅲ軸軸承；5—Ⅱ軸；6—Ⅱ軸軸承；7—Ⅰ軸軸承；8—Ⅰ軸；9—防塵罩；10—主減速器殼體；11—Ⅱ軸防塵罩；12—法蘭盤；13—橋殼總成。

2.2 軸承來樣、滾道及鋼球外觀檢測

針對8套某后橋主減速器已發(fā)生故障的深溝球軸承進(jìn)行來樣外觀、滾道外觀及鋼球外觀檢測。檢測結(jié)果如下：

（1）來樣外觀：1#、2#、4#、6#、7#及8#軸承端面均合格，3#軸承卡死、端面一側(cè)壓傷，5#軸承散架、端面磨損。

（2）滾道及鋼球外觀：1#、2#、3#、4#、6#、7#及8#軸承內(nèi)滾道和外滾道面上有磨損（如圖2所示），5#軸承內(nèi)滾道和外滾道面上嚴(yán)重磨損和剝落（如圖3所示）。

圖2 1 #軸承內(nèi)、外滾道外觀

圖3 5#軸承內(nèi)、外滾道外觀

（3）鋼球外觀：1#、2#、3#、4#、6#、7#及8#軸承鋼球外觀出現(xiàn)壓痕，5#軸承鋼球外觀出現(xiàn)磨損（如圖4所示）。

圖4 1#及5#軸承鋼球外觀

2.3 軸承尺寸檢測

針對1#、2#、3#、4#、6#、7#及8#軸承內(nèi)徑尺寸、外徑尺寸及徑向游隙進(jìn)行檢測（見表1），結(jié)果表明1#、2#、3#、4#、6#、7#及8#軸承外徑尺寸均符合技術(shù)要求，1#、2#及6#內(nèi)徑尺寸符合技術(shù)要求，3#、4#、7#、8#軸承內(nèi)徑尺寸不符合技術(shù)要求。

表1 軸承尺寸檢測數(shù)據(jù) 單位：mm

編號外徑尺寸內(nèi)徑尺寸 1#軸承61.99029.998 2#軸承61.99129.999 3#軸承61.99230.040 4#軸承61.98330.016 6#軸承61.99329.998 7#軸承61.99530.012 8#軸承61.99430.010

2.4 軸承硬度及金相檢測

針對5#軸承進(jìn)行內(nèi)圈硬度、外圈硬度及鋼球硬度檢測，內(nèi)圈金相、外圈金相及鋼球金相檢測。檢測結(jié)果表明5#軸承的內(nèi)圈洛氏硬度為62.5 HRC、外圈洛氏硬度為61.5 HRC、鋼球洛氏硬度為64.1 HRC，均符合技術(shù)要求。軸承內(nèi)圈及外圈的金相檢驗(yàn)結(jié)果未見組織異常，鋼球金相檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)表面燒傷，燒傷深度為59.8 μm（見圖5）。

圖5 5#軸承鋼球表面及心部金相照片

3 后橋軸承失效原因分析

3.1 后橋主減速器關(guān)鍵尺寸分析

表2 二軸輸入及輸出端尺寸 單位：mm

編號二軸 輸入端直徑輸出端直徑 1#后橋φ29.988φ29.997 2#后橋φ29.988φ29.986 3#后橋φ29.985φ30.005 4#后橋φ29.986φ30.000

主減速器二軸加工精度不良會(huì)造成安裝后軸與軸承出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，易產(chǎn)生高溫，加速軸承磨損，也更容易使軸承產(chǎn)生疲勞，導(dǎo)致軸承內(nèi)外圈表面出現(xiàn)麻點(diǎn)或剝落。

3.2 后橋潤滑油加注量分析

該后橋原批量設(shè)計(jì)狀態(tài)加注雙曲線齒輪油為1.2 L，通過拆除部分橋殼，經(jīng)加注1.2 L雙曲線齒輪油后測量油液液位，發(fā)現(xiàn)油液未接觸二軸齒輪（如圖6所示）。由于二軸缺乏潤滑，由此可導(dǎo)致軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，散熱效果不佳同時(shí)雜質(zhì)長時(shí)間在二軸或軸承上反復(fù)碾壓出現(xiàn)磨損。后橋潤滑不良導(dǎo)致軸承運(yùn)轉(zhuǎn)處于貧油狀態(tài)，易形成粘著磨損，使工作表面狀態(tài)惡化，粘著磨損產(chǎn)生的撕裂物易進(jìn)入保持架，使保持架產(chǎn)生異常載荷，造成保持架斷裂。

圖6 后橋油液液位圖

當(dāng)潤滑油加注量增加至1.8 L時(shí)，二軸齒輪齒頂位置可接觸到油液，可潤滑各級齒輪及軸承，也可將各級齒輪及軸承上的雜質(zhì)帶往油底殼。

3.3 后橋拆解分析

對已發(fā)生故障后橋進(jìn)行拆解檢查內(nèi)部清潔狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)橋殼內(nèi)部出現(xiàn)黑色黏稠狀雜質(zhì)（如圖7所示），差速器齒輪有啃齒印跡，二軸齒輪表面存在斑點(diǎn)。

圖7 后橋內(nèi)部雜質(zhì)

若后橋在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中有異物或雜質(zhì)進(jìn)入軸承內(nèi)部，會(huì)使軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)長時(shí)間反復(fù)碾壓造成內(nèi)、外圈出現(xiàn)褶皺，進(jìn)而出現(xiàn)壓痕和磨損等，溝道粗糙度變得極大，使接觸表面迅速疲勞失效，最終剝落。剝落物又會(huì)形成新的異物顆粒，使表面造成更大的破壞，噪音進(jìn)一步加大。在此過程中，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)阻力隨之增大，運(yùn)轉(zhuǎn)不靈活，熱耗隨之增加，軸承溫度上升，使內(nèi)徑、外徑尺寸漲大，軸承游隙減小，進(jìn)而造成內(nèi)徑或外徑出現(xiàn)打滑，甚至燒傷[6]。

4 結(jié)束語

針對某純電動(dòng)汽車后橋軸承故障分析結(jié)果，從以下三個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：（1）加強(qiáng)主減速器二軸加工質(zhì)量管控，增加檢驗(yàn)頻次；（2）更改后橋潤滑油加注量，增加至1.8 L，改善后橋潤滑環(huán)境；（3）提升后橋清潔度，清理裝配過程中后橋內(nèi)產(chǎn)生雜質(zhì)。經(jīng)試驗(yàn)場30 000 km可靠性試驗(yàn)（等效普通道路行駛里程約200 000 km）未出現(xiàn)該故障，后續(xù)市場反饋未出現(xiàn)批量性故障，有效降低產(chǎn)品故障率，提升客戶滿意度。

[1] 程浩.淺談新能源汽車的發(fā)展趨勢[J].汽車實(shí)用技術(shù),2019(22):1-2.

[2] 高亮,王松濤,劉軍和.某深溝球軸承的故障分析與改進(jìn)[J].哈爾濱軸承, 2014, 35(3): 27-30.

[3] 黃曉輝.某深溝球軸承失效分析[J].哈爾濱軸承,2014,35(1):18-22.

[4] 陳雪峰,衛(wèi)瑞元. 汽車軸承疲勞失效分析[J].軸承,2009 (3): 30-32.

[5] 陳家瑞.汽車構(gòu)造(下冊)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[6] 黃豐云,郭競妍,祁帆,等.汽車后橋主減速器齒輪嚙合故障診斷[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(信息與管理工程版),2018,34(3):301-305.

Failure Mechanism Analysis of Rear Axle Bearing of the Blade Electric Vehicles

ZHANG Xingfeng

（Nanjing Golden Dragon Bus Co., Ltd., Jiangsu Nanjing 211215）

For the problems of abnormal noise, rotation jamming and fall apart during the use of the bearing of the blade electric vehicles rear axle final drive, the failure mechanism of the bearing was studied, combined with the appearance, critical dimensions, hardness and metallographic testing of the faulty parts. The reason for the failure of the rear axle bearing of the blade electric vehicles was analyzed, which will provide a solution for the problem of the rear axle bearing.

Blade electric vehicles; Rear axle; Deep groove ball bearing;Failure mechanism; Failure analysis

U469.72

A

1671-7988(2021)20-23-03

U469.72

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1671-7988(2021)20-23-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.020.006

張行峰（1981—），男，高級工程師，本科，就職于南京金龍客車制造有限公司，研究方向：新能源汽車噪聲與振動(dòng)。