某電動商用車軸承失效分析及解決措施

萬媛媛,湯玉輝

(安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽合肥 230601)

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某電動商用車軸承失效分析及解決措施

萬媛媛,湯玉輝

(安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽合肥 230601)

對某電動商用車減速器在臺架測試過程中出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象進(jìn)行研究，對減速器進(jìn)行拆解分析，從齒輪旋向設(shè)計、軸承孔設(shè)計、軸承潤滑方式設(shè)計、軸承的安裝定位以及軸承的型式選擇幾個方面，解決軸承失效的問題，最終通過耐久臺架測試，使得減速器滿足壽命要求。

電動商用車；減速器；軸承；失效分析

0　引言

國內(nèi)外汽車工業(yè)掀起了電動汽車的研究熱潮，電動汽車逐漸被消費者接受和認(rèn)可。同時，通過對傳統(tǒng)商用車進(jìn)行動力改裝，電動商用車也走進(jìn)了人們的視野中，主要當(dāng)垃圾清掃車、灑水車等，這種電動商用車安全可靠，既可以滿足使用需求，又達(dá)到了節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)[1]。

電動商用車的驅(qū)動系統(tǒng)一般是將驅(qū)動電機(jī)搭載單速比減速器取代傳統(tǒng)商用車的發(fā)動機(jī)與變速箱，將動力傳遞到驅(qū)動半軸。這種取代方式可以實現(xiàn)同一驅(qū)動系統(tǒng)搭載不同的車型，成本低、設(shè)計簡單。但是電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，減速器直接與電機(jī)軸連接，減速器輸入軸所承受的轉(zhuǎn)速高，從而對軸承的影響也較大。

通過對減速器反復(fù)試驗，找出減速器軸承失效的原因并且解決設(shè)計問題。

1　軸承失效特征

1.1問題描述

某商用車減速器在依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 568《汽車機(jī)械式變速器 臺架試驗方法》[2]和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《單速比減速器試驗臺架方法》[3]進(jìn)行耐久臺架測試時出現(xiàn)明顯異響聲，測試人員終止測試，并懷疑是減速器內(nèi)部零件可能出現(xiàn)斷裂。為找出問題所在，設(shè)計人員拆解了商用車減速器，發(fā)現(xiàn)減速器輸入軸和輸出軸連接軸承內(nèi)外圈分離并出現(xiàn)了嚴(yán)重的燒蝕、輪齒斷裂[4]，見圖1。這里選用的深溝球軸承6005。

1.2減速器耐久臺架測試

磨合條件：磨合時間90 min； 輸入扭矩40 N·m；輸入轉(zhuǎn)速3 000 r/min；

試驗條件：油溫：85～95 ℃;

工況條件：見表1。

表1　耐久測試工況

測試結(jié)果： 在試驗進(jìn)行到第50 h時，減速器出現(xiàn)異響。拆解發(fā)現(xiàn)，輸入軸輸出軸連接軸承燒蝕，輪齒斷裂。

2　幾次測試結(jié)果及問題整改

2.1第1次測試

2.1.1問題分析

從拆解出現(xiàn)的現(xiàn)象分析，軸承內(nèi)外圈脫離。首先考慮到齒輪設(shè)計，作者發(fā)現(xiàn)該減速器兩對嚙合齒輪的旋向設(shè)計出現(xiàn)錯誤，導(dǎo)致輸入軸和輸出軸連接軸承承受軸向力，導(dǎo)致軸承損壞。如圖2，輸入軸齒輪旋向為右旋，逆時針旋轉(zhuǎn)，根據(jù)右手定則，受到軸向力F1方向向右，作用于輸入軸和輸出軸連接軸承外圈；輸出軸旋向也為右旋，軸向力F2方向向左，作用于軸承內(nèi)圈[5]。正是這兩個方向相反的軸向力長時間作用導(dǎo)致軸承燒蝕，內(nèi)外圈分離。

該減速器齒輪旋向設(shè)計引用同平臺其他車型設(shè)計，但在設(shè)計時沒有考慮到兩者內(nèi)部結(jié)構(gòu)的區(qū)別。另一車型的減速器輸入軸、中間軸與輸出軸平行但不共線，軸通過兩端軸承固定，軸向力方向?qū)S承影響不大；而該商用車減速器輸入軸和輸出軸共線，通過軸承的內(nèi)外圈連接，該軸承如果受到方向相反的軸向力風(fēng)險會很大。

2.1.2方案整改

表 2　齒輪旋向設(shè)計前后對比

2.2第2次測試

2.2.1問題分析

改變齒輪旋向設(shè)計后，重新進(jìn)行耐久測試，測試方法與第一次測試相同。試驗進(jìn)行到第11 h后，出現(xiàn)異響，試驗停止。拆解減速器后，發(fā)現(xiàn)輸入軸、輸出軸連接軸承燒壞，具體部位為軸承內(nèi)圈碎裂。

從拆解情況來看：軸承的燒壞可能是因為運轉(zhuǎn)過程中，軸承潤滑情況不好；內(nèi)圈碎裂，說明軸承承受的徑向力較大，從而導(dǎo)致軸承損壞。

2.2.2方案整改

從分析情況來看，一方面需要改善軸承的潤滑情況，可以從減速器結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化。具體方法：

(1)在輸入軸上安裝軸承處開3個小油孔(需要考慮軸的實際強度)，讓潤滑油充分流入，保證軸承良好的潤滑環(huán)境；

(2)調(diào)整兩端軸承孔深度，使軸承孔與軸承充分接觸，將徑向力更多地分給兩端軸承；

另一方面提升輸入軸、輸出軸連接軸承品質(zhì)，更換更好軸承品牌，保證產(chǎn)品質(zhì)量問題。

2.3第3次測試

2.3.1問題分析

經(jīng)過上面所述整改后，將優(yōu)化后的減速器裝上臺架，進(jìn)行耐久測試，試驗進(jìn)行3 h后，出現(xiàn)異常，立即停止測試。再一次拆解減速器，發(fā)現(xiàn)輸入軸、輸出軸連接軸承燒壞，具體部位為軸承內(nèi)圈碎裂，輸出軸局部燒焦。

輸出軸局部燒焦主要是因為軸承內(nèi)圈受損?？紤]到經(jīng)過整改后的軸承質(zhì)量沒有問題，而且優(yōu)化后潤滑情況良好，所以原因應(yīng)該是深溝球軸承徑向承載能力弱。另外，在整車運行時輸出軸隨著傳動軸的伸縮會有軸向竄動，從而導(dǎo)致輸入軸、輸出軸連接軸承同時還承受軸向力。深溝球軸承一般主要用來承載徑向力，軸向力承受能力有限。

2.3.2方案整改

從3次測試結(jié)果來看，輸入軸、輸出軸連接軸承在測試過程中均出現(xiàn)內(nèi)圈損壞的情況，可以看出軸承在工作過程中均受到了較大的徑向力和軸向力，而深溝球軸承主要是承受徑向力，僅能承受較小的軸向力。所以，再一次對設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化和整改：

(1)將輸入軸、輸出軸中間連接軸承由深溝球軸承更改為滾針軸承，盡量選用直徑大的軸承，以保證可以承載較大徑向力[6]。

(2)另外，在輸入軸、輸出軸兩端軸承增加卡環(huán)、蓋板軸向定位結(jié)構(gòu)，保證中間滾針軸承不受軸向力。

2.4第4次測試

將第3輪整改后的減速器搭上臺架，依據(jù)臺架耐久測試條件，對減速器進(jìn)行第4次臺架測試。測試數(shù)據(jù)見表3。

表3　測試數(shù)據(jù)

測試結(jié)論：在達(dá)到規(guī)定加載載荷和試驗時間后主要零件(齒輪、軸、軸承、殼體等)無損壞，齒輪無齒輪斷裂、齒面嚴(yán)重點蝕現(xiàn)象。

3　結(jié)論

通過4次臺架測試、3次方案優(yōu)化，終于找出減速器軸承失效的原因，并且找到正確的處理方法。得出以下結(jié)論：

(1)齒輪旋向的設(shè)計會導(dǎo)致軸承受不同方向的軸向力，會造成軸承在使用過程中內(nèi)、外圈的脫離，從而造成軸承失效[6-8]；

(2)在設(shè)計軸承安裝結(jié)構(gòu)時，應(yīng)充分考慮軸承潤滑情況，保證軸承良好的潤滑環(huán)境，可以大大提高軸承使用壽命；

(3)選擇軸承型式時，要充分考慮使用軸承結(jié)構(gòu)的受力情況，保證所選軸承可以承受相應(yīng)的力，確保軸承的承載能力，從而保證部件的壽命；

(4)在軸承特殊的工作環(huán)境下，可以增加相應(yīng)零件，譬如卡環(huán)、密封圈等，以改善軸承工作環(huán)境。

【1】曉辰.城市電動商用車的運行模式[J].輕型汽車技術(shù),2012(1):35-36.

【2】QC/T 568.1-2011汽車機(jī)械式變速器總成臺架試驗方法.第1部分：微型[S].北京：中國計劃出版社，2011.

【3】Q/JQ 2121-2013單級減速器技術(shù)條件[M].

【4】黃曉輝.某深溝球軸承失效分析[J].哈爾濱軸承,2014(1):18-19,22.

【5】孫恒.機(jī)械原理[M].7版.西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2013.

【6】成大先.機(jī)械設(shè)計手冊[M].5版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008:(7-202)-(7-274).

【7】檀駿,余曉流,談莉斌.球軸承軸向承載能力研究[J].機(jī)械設(shè)計及制造,2014(7):45-48.

【8】冀勇彪.變速箱軸承早期失效分析及解決措施[J].機(jī)械管理開發(fā),2012(3):83-84.

Bearing Failure Analysis and Resolution for an Electric Commercial Vehicle Retarder

WAN Yuanyuan,TANG Yuhui

(Technical Center,Anhui Jianghuai Automobile Co.,Ltd., Hefei Anhui 230601,China)

The abnormal phenomenon of an electric commercial vehicle retarder during bench test was studied. The reducer was disassembled to analyze. From the points of the rotation design of gears,the bearing hole design,the bearing lubrication mode design,the fixing orientation of bearing and the type of bearing,the failure problem of bearing was resovled.Finally,the durability test of the retarder is passed, it can meet the life requirement.

Electric commerical vehicle;Retarder;Bearing;Failure analysis

2015-05-13

萬媛媛(1984—)，女，工學(xué)碩士，工程師，主要從事于新能源汽車電驅(qū)動技術(shù)的研發(fā)。E-mail:wanyuanyuan1984@163.com。