汽車交流發(fā)電機(jī)軸承早期失效原因探討

王佩劍 陸曉亮

摘要：隨著人們對(duì)出行品質(zhì)的要求越來越高，各式各樣的用電設(shè)備都被安裝在汽車上，無形之中增加了汽車耗電量。而汽車交流發(fā)電機(jī)作為汽車的電力來源，其重要性不言而喻。而軸承作為發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵部件，由于在實(shí)際運(yùn)行時(shí)存在各種極端工況，導(dǎo)致汽車交流發(fā)電機(jī)的軸承失效。本文通過分析軸承早期失效原因，能夠?qū)ζ嚱涣靼l(fā)電機(jī)軸承未來制造設(shè)計(jì)帶來相應(yīng)的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：汽車交流發(fā)電機(jī);軸承失效;原因分析

0? 引言

伴隨著中國(guó)汽車業(yè)的發(fā)展，汽車保有量逐年增加，相應(yīng)的對(duì)環(huán)境的影響也越來越大，為了響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排號(hào)召，降低燃油消耗，提高行駛效率，汽車企業(yè)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)以及汽車整體性能不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新。與此同時(shí)，不同的電子設(shè)備被安裝在汽車上，用以改善汽車駕駛以及乘車舒適度。因此對(duì)提供整車電力的交流發(fā)電機(jī)就提出了更高的要求，具體則落實(shí)在了發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)零部件的壽命以及可靠性上。汽車交流發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵零件軸承需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的工作，因此其壽命直接影響著發(fā)電機(jī)的維修次數(shù)。在汽車交流發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中，為了獲得較高的輸出功率，發(fā)電機(jī)經(jīng)常采用高速化的處理方式，使得軸承長(zhǎng)時(shí)間處于高速工作狀態(tài)下，除此之外軸承的工作狀態(tài)還有重載、變速、高溫等極端條件，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)軸承產(chǎn)生早期失效的現(xiàn)象。針對(duì)這種現(xiàn)象，本文將針對(duì)某一型號(hào)的汽車交流發(fā)電機(jī)進(jìn)行具體分析。

1? 軸承失效具體形式

選取某一型號(hào)的汽車交流發(fā)電機(jī)，其前端的軸承有一定概率在剛開始使用時(shí)就會(huì)出現(xiàn)異常，經(jīng)過仔細(xì)的研究，發(fā)現(xiàn)這些軸承的失效情況基本類似，因此本文針對(duì)代表性比較明顯的一例進(jìn)行研究。將發(fā)電機(jī)端蓋以及軸承進(jìn)行拆卸，進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)后，軸承內(nèi)外徑尺寸以及徑向游隙均符合管理規(guī)格，但軸承振動(dòng)值明顯超標(biāo)，并且在進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè)時(shí)，能夠明顯感覺軸承外圈有缺陷，因此需要打開軸承，以便對(duì)缺陷進(jìn)行更深入的分析。

將軸承的密封圈拆卸完成后，發(fā)現(xiàn)軸承的保持架和滾珠完好，潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑效果正常。之后將滾珠拆下，仔細(xì)觀察軸承滾軸、保持架以及內(nèi)外圈的滾道。發(fā)現(xiàn)軸承內(nèi)圈滾道兩側(cè)正常，但底部有明顯磨損痕跡，顏色為黃褐色;外圈滾道兩側(cè)和非承載區(qū)顏色正常，但在承載區(qū)的底部有明顯的磨損痕跡，顏色為黃褐色，范圍約為整個(gè)外圈圓弧的四分之一。在軸承外圈的承載區(qū)，有一個(gè)凹凸不平的剝落面，放大觀察剝落面呈沙灘狀。在對(duì)軸承進(jìn)行拆卸前，對(duì)軸承相應(yīng)地方進(jìn)行標(biāo)記，拆卸完成后同原來標(biāo)記位置比照，發(fā)現(xiàn)滾道出現(xiàn)剝落的位置并不是軸承承載最大的區(qū)域，而是在滾軸進(jìn)入承載區(qū)時(shí)楔入點(diǎn)的位置，因此需要進(jìn)一步分析產(chǎn)生這種失效情況的原因。

2? 排查失效原因

對(duì)軸承外圈進(jìn)行仔細(xì)觀察，發(fā)現(xiàn)在滾道處有一處剝落，導(dǎo)致這種情況出現(xiàn)的影響因素有很多種，比如潤(rùn)滑脂出現(xiàn)問題、套圈硬度不合格、夾雜非金屬雜物以及一些用掃描電鏡才能發(fā)現(xiàn)的微觀問題等。由于無法確定具體影響因素，因此使用排除法逐個(gè)分析，確定失效原因。

2.1 潤(rùn)滑脂檢測(cè)

對(duì)軸承內(nèi)的潤(rùn)滑脂進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)潤(rùn)滑脂使用狀態(tài)良好，維持完整的油膏狀。軸承密封圈內(nèi)側(cè)潤(rùn)滑脂表層顏色稍微加深，但潤(rùn)滑脂表層下顏色正常。進(jìn)一步檢測(cè)后，含水率和注脂量滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)紅外光譜檢測(cè)沒有發(fā)現(xiàn)有劣化的跡象。檢測(cè)表明軸承潤(rùn)滑脂沒有問題。

2.2 套圈硬度檢測(cè)

參照國(guó)標(biāo)GB/T 34891-2017，對(duì)軸承外圈硬度進(jìn)行檢測(cè)，使用HR-150A的洛氏硬度計(jì)，經(jīng)檢測(cè)，軸承外圈硬度滿足要求，表明軸承外圈硬度不是導(dǎo)致失效的原因。

2.3 非金屬夾雜物檢測(cè)

對(duì)軸承外圈滾道的剝落處采用線切割的方式進(jìn)行縱向取樣，利用蔡司顯微鏡分析樣本的金相組織以及元素成分，經(jīng)電鏡掃描檢測(cè)，失效部分各元素成分正常，未夾雜非金屬元素。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 18254-2016，對(duì)軸承外圈滾道剝落處的非金屬夾雜物等級(jí)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.4 顯微組織檢查

沿軸承外圈滾道剝落處的外圈進(jìn)行縱向取樣，將樣品拋光，之后采用2%的硝酸酒精進(jìn)行腐蝕處理。參照國(guó)標(biāo)GB/T 34891-2017，檢測(cè)樣品的基體淬回火組織，經(jīng)電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)組織為碳化物顆粒、馬氏體以及殘留奧氏體的結(jié)合體，組織體正常。但觀察樣品剝落處的外貌，發(fā)現(xiàn)有裂紋存在，呈軸向分布，近似平行滾道表面，裂紋由內(nèi)向外擴(kuò)散并且周圍無夾雜物及脫碳情況的出現(xiàn)。但裂紋周圍有白色針狀組織，白色組織附近無非金屬夾雜物，存在較多細(xì)小裂紋并且白色組織走向同最大切應(yīng)力相同，整個(gè)剝落區(qū)的形貌呈現(xiàn)穿晶斷裂狀。

3? 白色組織成分分析

由于汽車輔機(jī)軸承，尤其是交流發(fā)電機(jī)軸承的使用條件越來越惡劣，軸承采用常規(guī)材料制造完成后進(jìn)行常規(guī)熱處理，導(dǎo)致軸承出現(xiàn)疲勞剝落的時(shí)間明顯提前，大大降低了軸承使用壽命。雖然剝落發(fā)生在次表面，但剝落前的組織發(fā)生了明顯變換。產(chǎn)生剝落的具體機(jī)理研究較多，但沒有統(tǒng)一的結(jié)論。較為公認(rèn)的機(jī)理如下，由于滾動(dòng)體和滾道之間的相對(duì)滑動(dòng)，導(dǎo)致油膜破裂進(jìn)而在金屬表面生成新生面。伴隨著新生面的催化使得潤(rùn)滑劑被分解，產(chǎn)生氫。由于靜電作用，產(chǎn)生的氫溶入鋼中，產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象，導(dǎo)致軸承滾道表面出現(xiàn)剝落。通常氫溶入鋼中有三個(gè)過程，氫產(chǎn)生、氫移動(dòng)、氫的吸附和擴(kuò)散。

①氫產(chǎn)生：軸承潤(rùn)滑脂中基礎(chǔ)油的種類不同，部分基礎(chǔ)油容易分解;潤(rùn)滑脂在使用時(shí)摻雜了水分，由于工作過程中升溫導(dǎo)致分解，產(chǎn)生氫。

②氫移動(dòng)：皮帶輪和多楔帶之間由于摩擦?xí)a(chǎn)生靜電，氫離子在靜電作用下移動(dòng)到軸承套圈的滾道表面。

③氫的吸附和擴(kuò)散：發(fā)電機(jī)軸承在工作狀態(tài)下，由于振動(dòng)以及速度的急劇變化，導(dǎo)致鋼球在滾道表面容易滑動(dòng)，而潤(rùn)滑的油膜強(qiáng)度不夠，受鋼球滑動(dòng)影響，導(dǎo)致油膜破裂。金屬表面缺少油膜覆蓋而暴露在空氣中，產(chǎn)生新生面，而由于靜電的吸附作用，金屬表面會(huì)將分解出來的氫進(jìn)行吸附，并溶于金屬中在內(nèi)部擴(kuò)散，導(dǎo)致脆氫現(xiàn)象的產(chǎn)生，使得軸承外圈滾道表面出現(xiàn)白色組織剝落。

4? 分析失效原因

某型號(hào)汽車交流發(fā)電機(jī)在運(yùn)行初期發(fā)現(xiàn)前端軸承存在異常噪音，將軸承拆卸后發(fā)現(xiàn)軸承外圈滾道存在一處疲勞剝落，位置處于軸承外圈滾道滾珠進(jìn)入承載區(qū)的楔入點(diǎn)，同時(shí)軸承外圈滾道承載區(qū)底部以及內(nèi)圈的滾道底部存在明顯的磨損帶。通過對(duì)軸承多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行細(xì)致檢查，將軸承套圈材料問題以及熱處理方面的問題排除，確定的軸承外圈滾道剝落為次表面起源型疲勞剝落。在對(duì)軸承各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)的過程中，發(fā)現(xiàn)三個(gè)異常特征：①軸承外圈滾道的剝落位置不是位于最高接觸應(yīng)力點(diǎn)，而是在滾珠進(jìn)入軸承外圈滾道承載區(qū)時(shí)的楔入點(diǎn);②軸承潤(rùn)滑脂紅外光譜現(xiàn)實(shí)正常，整體顏色正常，但部分潤(rùn)滑脂表層顏色有所加深;③軸承外圈滾道的剝落區(qū)裂紋附近存在白色針狀組織，并且分布呈一定規(guī)律。

汽車發(fā)電機(jī)的極端工況除了之前提到的，還存在皮帶驅(qū)動(dòng)軸承內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)和軸承外圈滾道固定局部承載的情況。皮帶傳動(dòng)屬于非剛性傳動(dòng)，存在打滑的可能，從而引起軸承滾珠發(fā)生打滑;軸承外圈滾道局部承載并且位置不變，由此會(huì)引發(fā)兩個(gè)問題：①固定的承載區(qū)會(huì)一直承受較高的接觸應(yīng)力;②軸承滾珠在接觸區(qū)工作時(shí)，由于經(jīng)常的加速和減速會(huì)引發(fā)滾珠打滑。為了降低皮帶打滑的概率，需要增加皮帶的張緊力，增加的張緊力會(huì)通過杠桿效應(yīng)反映到軸承的接觸載荷上，間接的使軸承外圈滾道承載區(qū)變窄，導(dǎo)致接觸應(yīng)力升高，進(jìn)一步加劇了軸承滾珠打滑的問題。所以，汽車交流發(fā)電機(jī)軸承接觸應(yīng)力高是必然的，軸承滾珠打滑無法避免，而且汽車發(fā)電機(jī)功率越高，輪系張緊力的匹配度就越低，從而使?jié)L珠打滑越嚴(yán)重。

軸承滾珠打滑產(chǎn)生的新生面活性以及局部的高溫，對(duì)接觸區(qū)的摩擦化學(xué)反映具有催化作用，能夠?qū)⒋蟛糠值臐?rùn)滑脂裂解，導(dǎo)致接觸區(qū)的潤(rùn)滑效果惡劣，潤(rùn)滑油膜厚度不夠甚至發(fā)生破裂，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生氫離子并溶入接觸面下。

綜上所述，軸承外圈滾道出現(xiàn)疲勞剝落主要是由兩方面因素共同作用導(dǎo)致的，分別是軸承滾珠的打滑，軸承外圈滾道局部上時(shí)間承受較高的循環(huán)接觸應(yīng)力，在剝落區(qū)出現(xiàn)白色針狀組織，屬于軸承的早期失效剝落。同時(shí)軸承外圈滾道剝落區(qū)的位于外圈滾道承載區(qū)滾珠的楔入點(diǎn)。

5? 總結(jié)

由于汽車交流發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)需要應(yīng)對(duì)各種不同的極端工況，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)主軸的前軸承出現(xiàn)新的失效問題，使得軸承外圈出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于軸承外圈的設(shè)計(jì)壽命，影響軸承的持續(xù)使用。通過本文的分析，發(fā)現(xiàn)了產(chǎn)生這種早期失效原因，對(duì)今后延長(zhǎng)軸承壽命，指導(dǎo)汽車交流發(fā)電機(jī)的組裝以及其軸承的工藝改進(jìn)具有重要作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉日宣，李興林，常振，季英昌，吳加鍬.汽車交流發(fā)電機(jī)軸承早期失效原因分析[J].哈爾濱軸承，2019，40（03）：33-37.

[2]莫江紅，楊文貞.汽車交流發(fā)電機(jī)球軸承失效分析[J].裝備制造技術(shù)，2014（08）：108-109，111.

[3]李克難.汽車交流發(fā)電機(jī)軸承選擇和使用[J].汽車電器，2019（10）：57-60.