一種輪轂齒輪箱行星輪軸承失效分析

劉紅國(guó)， 吳海龍， 鄭顯良

(中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司， 江蘇常州 213011)

0 引言

在傳動(dòng)機(jī)械中，軸承是應(yīng)用最為廣泛的基礎(chǔ)件之一[1]。文中涉及的輪轂齒輪箱采用兩級(jí)行星傳動(dòng)，主要作用是將電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速、扭矩進(jìn)行轉(zhuǎn)化后輸出至輪轂，驅(qū)動(dòng)車輛運(yùn)行。在整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中起到關(guān)鍵作用。該型輪轂傳動(dòng)齒輪箱中軸承采用國(guó)產(chǎn)知名廠家產(chǎn)品。在進(jìn)行疲勞試驗(yàn)的過程中，發(fā)現(xiàn)齒輪箱溫升、傳動(dòng)效率異常，拆解后發(fā)現(xiàn)二級(jí)行星輪軸承失效，本文作者針對(duì)試驗(yàn)過程中軸承失效進(jìn)行了分析，并提出改進(jìn)方案。

1 試驗(yàn)過程

齒輪箱的疲勞試驗(yàn)按照QC/T 1022—2015《純電動(dòng)乘用車用減速器總成技術(shù)條件》中疲勞試驗(yàn)要求改進(jìn)后進(jìn)行試驗(yàn)，輸入扭矩按照最大輸入扭矩的1.25倍進(jìn)行加速試驗(yàn)。齒輪箱首先進(jìn)行2 h磨合并更換潤(rùn)滑油，在疲勞試驗(yàn)進(jìn)行到試驗(yàn)要求時(shí)長(zhǎng)的90%時(shí)，齒輪箱的傳動(dòng)效率、溫升和振動(dòng)均出現(xiàn)問題，傳動(dòng)效率由97%降低至92%，溫升時(shí)間急劇縮短如圖1所示，箱體的振動(dòng)值由5.1 m/s2左右增加至7.3 m/s2左右并且振動(dòng)值變化范圍變大如圖2所示。更換潤(rùn)滑油后問題仍然存在，遂進(jìn)行拆解檢查。

圖1 試驗(yàn)溫升情況

圖2 箱體振動(dòng)情況

2 拆解檢查

拆解后發(fā)現(xiàn)，二級(jí)行星輪四組軸承出現(xiàn)不同程度的損壞，其他零部件未發(fā)現(xiàn)有異常狀況。四組軸承的內(nèi)圈、外圈、保持架外觀形貌示意如圖3所示。

圖3 二級(jí)行星輪軸承拆解全貌

從圖中可以看出：

(1)第一、二組軸承的內(nèi)圈滾道出現(xiàn)嚴(yán)重的剝落坑、碾壓、發(fā)黑等損傷，剝落坑深度在0.5～1 mm之間，內(nèi)圈一周大概有45%出現(xiàn)上述情況，已經(jīng)完全失效，說明軸承工作過程中受到燒傷和壓力大于軸承內(nèi)圈承受的極限載荷，軸承內(nèi)圈出現(xiàn)偏載；

(2)軸承滾子一側(cè)邊緣出現(xiàn)破損，保持架出現(xiàn)輕微的磨損、翻邊，說明滾子與內(nèi)圈擋邊有相對(duì)的摩擦，滾子軸承承受較大的軸向載荷；

(3)第一組軸承其中一個(gè)軸承內(nèi)圈斷裂，裂縫寬度為0.1～0.2 mm，是由于內(nèi)圈磨損量大，導(dǎo)致內(nèi)圈厚度變薄，內(nèi)圈脹破；

(4)軸承外圈有燒傷以及摩擦痕跡，說明軸承外圈與行星輪內(nèi)孔出現(xiàn)相對(duì)蠕動(dòng)；

(5)同組的兩個(gè)軸承進(jìn)行對(duì)比，內(nèi)側(cè)軸承受損情況均比外側(cè)軸承嚴(yán)重；

(6)四組軸承對(duì)比：三、四組軸承的磨損情況遠(yuǎn)好于一、二組軸承。

通過硬度儀對(duì)軸承內(nèi)外圈及滾子磨損較小部位進(jìn)行硬度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表1，由表1可看出軸承硬度符合JB/T 1255—2014《滾動(dòng)軸承高碳鉻軸承鋼零件熱處理技術(shù)條件》的要求；通過對(duì)軸承材料進(jìn)行光譜分析檢測(cè)，分析結(jié)果見表2，由表2可看出材料的化學(xué)成分符合GB/T 18254—2016《高碳鉻軸承鋼》要求；同時(shí)對(duì)軸承金相組織進(jìn)行檢查，檢查結(jié)果顯示材料的金相組織符合JB/T 1255—2014《滾動(dòng)軸承高碳鉻軸承鋼零件熱處理技術(shù)條件》的要求。

表1 軸承零件硬度值 HRC

表2 軸承材料化學(xué)成分 %

3 軸承失效分析

(1)通過對(duì)軸承的理化分析得出軸承的材料和熱處理均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[2]，不存在缺陷；

(2)一、二組軸承損壞程度遠(yuǎn)大于三、四組軸承，其中三、四組軸承更靠近油池，說明軸承失效的主要誘因是潤(rùn)滑不足造成的；

(3)同組兩軸承對(duì)比，內(nèi)側(cè)軸承損壞更嚴(yán)重，結(jié)合行星輪齒面磨損情況，說明行星輪在運(yùn)行過程中齒輪嚙合中心不在齒輪的幾何中心，導(dǎo)致軸承受力偏載嚴(yán)重[3]；

(4)單個(gè)軸承內(nèi)圈一周有45%受損嚴(yán)重，其余部分磨損較小，并且軸承內(nèi)圈與軸承負(fù)荷方向恒定，軸承內(nèi)圈單側(cè)受載嚴(yán)重；

(5)一、二組軸承內(nèi)圈滾道存在剝落、燒傷痕跡，主要是潤(rùn)滑油不足，軸承內(nèi)圈與滾子干磨，流動(dòng)潤(rùn)滑油少，散熱差，造成局部溫度上升，軸承工作面出現(xiàn)燒傷，導(dǎo)致表面材質(zhì)硬度降低，表面壓潰，產(chǎn)生裂紋，出現(xiàn)內(nèi)圈表面剝落，最終失效[4]；

(6)軸承滾子靠?jī)?nèi)圈擋邊側(cè)出現(xiàn)破損，并且保持架有翻邊和磨損的痕跡，說明滾子軸承承受較大的軸向載荷，因軸承溫升造成材質(zhì)硬度降低從而出現(xiàn)碎裂失效。

4 改進(jìn)方案

從分析中可以看出，軸承失效的主要誘因是潤(rùn)滑不足，軸承負(fù)荷大于軸承的承載力，并且軸承出現(xiàn)偏載以及較大的軸向力造成的。其改造方案為：

(1)更改潤(rùn)滑方案，針對(duì)二級(jí)行星輪系中一、二組行星輪的油浴潤(rùn)滑改為強(qiáng)迫潤(rùn)滑，即增加潤(rùn)滑泵，將潤(rùn)滑油導(dǎo)入至一、二組行星銷孔，從兩行星軸承之間縫隙流出，對(duì)一、二組軸承進(jìn)行主動(dòng)潤(rùn)滑，并將潤(rùn)滑油黏度等級(jí)提高一級(jí)，增加油膜對(duì)軸承的附著力，減少軸承零件的干摩擦；

(2)將圓柱滾子軸承改為調(diào)心滾子軸承，增加軸承的徑向和軸向承載能力，并且行星輪在嚙合過程中可以自行角度的偏轉(zhuǎn)，自動(dòng)調(diào)整齒輪嚙合時(shí)的角度；

(3)重新對(duì)行星輪齒向修形進(jìn)行優(yōu)化，使行星輪的嚙合中心與幾何中心重合；

(4)更改軸承內(nèi)圈與銷軸的配合公差，內(nèi)圈在運(yùn)行過程中與軸承負(fù)荷有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，更改軸承外圈與行星輪內(nèi)孔配合，外圈與行星輪相對(duì)靜止，防止蠕動(dòng)。

5 結(jié)束語

行星傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)緊湊，因此齒輪箱的潤(rùn)滑與散熱是一個(gè)重點(diǎn)考慮的方向；在理論計(jì)算過程中行星輪雖然沒有承受軸向力，但由于制造、安裝誤差造成運(yùn)行過程的軸向力也是要考慮的重點(diǎn)；對(duì)于薄壁行星輪，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增加軸承外圈與行星輪內(nèi)孔的配合過盈量，防止軸承外圈打滑磨損；在行星傳動(dòng)中，行星輪在徑向方向有一定的自由度，讓其自適應(yīng)與太陽(yáng)輪和內(nèi)齒圈的嚙合，避免產(chǎn)生偏載力和個(gè)別行星輪承受較大的載荷。