某柴油機(jī)雙聯(lián)齒輪軸承失效試驗分析

（華菱星馬（集團(tuán)）汽車股份有限公司，馬鞍山243061）

某柴油機(jī)雙聯(lián)齒輪軸承失效試驗分析

付艷麗，張學(xué)龍，王 奔

（華菱星馬（集團(tuán)）汽車股份有限公司，馬鞍山243061）

某柴油機(jī)雙聯(lián)齒輪軸承出現(xiàn)失效，從齒輪及其軸承尺寸、緊固螺栓預(yù)緊力和軸承潤滑條件，試驗人員通過臺架試驗的方法，找出了不同設(shè)計方案的差異性，為明確改進(jìn)方案提供了有力證明。

雙聯(lián)齒輪失效臺架試驗

1 前言

雙聯(lián)齒輪是齒輪系統(tǒng)傳動系統(tǒng)中一個重要的驅(qū)動部件，某型柴油機(jī)投放市場后，多次出現(xiàn)雙聯(lián)齒輪軸承失效問題，據(jù)不完全統(tǒng)計，失效里程從零公里到幾萬公里不等。軸承作為一種常用的機(jī)械零件，在柴油機(jī)的設(shè)計中也普遍使用，如曲軸、連桿、凸輪軸等主要承載部位經(jīng)常采用該結(jié)構(gòu)，以承受一定的旋轉(zhuǎn)載荷。由于軸承的工作條件比較惡劣，但結(jié)構(gòu)尺寸卻受到嚴(yán)格限制，因而軸承的壽命和可靠性一直是軸承設(shè)計領(lǐng)域和機(jī)械開發(fā)試驗領(lǐng)域比較關(guān)注的問題[1]。

本文主要通過對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和潤滑情況進(jìn)行了分析，并通過試驗對不同結(jié)構(gòu)下的產(chǎn)品的差異性進(jìn)行了對比，為以后的產(chǎn)品開發(fā)提供了經(jīng)驗積累。

2 失效件的基本情況

雙聯(lián)齒輪在樣機(jī)齒輪室的安裝位置如圖1所示，該機(jī)為后置齒輪室，試驗樣機(jī)在磨合試驗結(jié)束后進(jìn)行整車試驗，冷機(jī)啟動時出現(xiàn)“咔嚓咔嚓”異響，發(fā)動機(jī)無法啟動，曲軸無法盤動。拆機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)雙聯(lián)齒輪軸承抱死，大小齒輪完全脫離，同時固定雙聯(lián)齒輪的4個螺栓中的2個折斷，2個折彎。失效雙聯(lián)齒輪及軸承如圖2所示。

圖1 雙聯(lián)齒輪及安裝位置

圖2 失效齒輪及軸承

3 失效原因分析

3.1 齒輪軸、軸承尺寸檢查

隨機(jī)抽查5組齒輪-軸承部件，使用內(nèi)徑氣動量表對齒輪軸承內(nèi)徑進(jìn)行測量，使用CMM（三坐標(biāo)測量儀）對齒輪軸軸徑進(jìn)行測量，使用圓度儀對齒輪軸和軸承的圓度進(jìn)行檢測。根據(jù)5組樣件的檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雙聯(lián)齒輪軸軸徑、軸承內(nèi)徑和圓柱度的尺寸及公差均滿足圖紙要求，偏差控制相對穩(wěn)定，圓度的差異也處在可接受的范圍內(nèi)，不是產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)尺寸問題所導(dǎo)致的失效。

3.2 齒輪緊固螺栓檢查

對雙聯(lián)齒輪緊固螺栓的擰緊工藝進(jìn)行校核，符合圖紙要求。供應(yīng)商對螺栓進(jìn)行了拉伸試驗，拉伸應(yīng)力-應(yīng)變特性曲線如圖3所示。螺栓的性能指標(biāo)均滿足要求，也不是螺栓問題導(dǎo)致的失效問題。

圖3 螺栓力-位移曲線

3.3 潤滑條件分析

3.3.1 直徑與寬度

進(jìn)一步檢查軸承的結(jié)構(gòu)尺寸，發(fā)現(xiàn)軸承的油槽截面大小不一，雙聯(lián)齒輪上的泄油槽大小也不一致，二者均不滿足設(shè)計尺寸要求，存在多數(shù)軸承油槽偏淺，卸油槽偏小的情況。對于柴油機(jī)來說，低溫啟動相對來說是比較惡劣的工況，因為此時機(jī)油溫度較低，機(jī)油黏度相對較大，啟動瞬時影響油膜的形成，容易出現(xiàn)軸承的拉傷問題[2]。

軸承潤滑油膜承載能力與軸承寬度的三次方成比例[2]。為形成足夠厚度的油膜，常選用盡量大的B/D值，其中B為軸承寬度，D為軸承直徑。但寬度過大，潤滑油油量減少，摩擦發(fā)熱加劇，潤滑油溫升高。實踐證明，軸承B/D值推薦范圍一般為0.4～0.6[2]。根據(jù)圖紙原始數(shù)據(jù)，軸承油槽寬62 mm，軸頸65 mm，該軸承的B/D＝0.95，并不處于推薦的最佳范圍內(nèi)。樣件的實際測量結(jié)果表明，油槽偏窄，槽深也偏淺。這就意味著實際的軸承太寬，柴油機(jī)在低溫啟動的情況下，潤滑油根本無法布滿軸承表面形成液態(tài)潤滑，極有可能存在因潤滑不足而導(dǎo)致的失效問題。

3.3.2 軸承間隙

任何一副軸承運動副，都需要一定的軸承間隙來形成潤滑油膜。潤滑油膜厚度反映了運動副的熱態(tài)間隙，考慮到零件的表面形狀、熱態(tài)變形、機(jī)械變形等因素，軸承必須保證其有合理的間隙范圍。經(jīng)驗推薦值為0.05～0.14 mm，產(chǎn)品設(shè)計要求為0.03～0.078 mm。根據(jù)抽檢的5組產(chǎn)品的數(shù)據(jù)來看，軸承間隙基本在0.04 mm左右，雖然符合設(shè)計要求，但偏于公差帶的下限區(qū)域。

3.4 軸承潤滑的理論依據(jù)

內(nèi)燃機(jī)使用的潤滑油，其黏度是隨溫度的高低、壓力的大小以及剪切速度的快慢而變化的。在工程中使用的潤滑油因為添加劑成分的不同，而出現(xiàn)不同的黏溫特性，也就是說每種潤滑油黏度隨溫度的變化而變化，一定的溫度會對應(yīng)一定的黏度。50℃以下黏度隨溫度的變化比較顯著，較低溫度會出現(xiàn)較大黏度，甚至?xí)霈F(xiàn)“黏滯”現(xiàn)象，無法形成流體動力潤滑，從而在運動副中形成干摩擦。在摩擦學(xué)中，摩擦通常被分為四種：干摩擦、邊界摩擦、混合摩擦和流體摩擦。

前三種摩擦系數(shù)較大，摩擦損失較大，而且長時的干摩擦可以直接導(dǎo)致運動副的失效。邊界摩擦和混合摩擦僅僅是形成流體摩擦的瞬時狀態(tài)，流體摩擦是所有摩擦種類中摩擦損失最小的摩擦形式，還可以形成較大的油膜壓力承載，這就是軸承潤滑的理論基礎(chǔ)。1883年，英國工程師研究了鐵路軸箱軸承的潤滑問題，1886年，O.Reynolds根據(jù)流體力學(xué)的原理，分析了潤滑油在間隙中的流動，建立了著名的雷諾方程，在隨后的一百多年的時間里，雷諾方程一直是解決工程實際問題的典范。根據(jù)雷諾方程，油膜厚度、動力黏度、油膜壓力、流動速度相互影響[3]，決定了運動副的潤滑狀態(tài)，雷諾方程也是有限元法求解軸承動力學(xué)模擬分析的依據(jù)；簡單來說，油膜厚度的分布狀態(tài)決定了油膜壓力分布，而運動副的配合間隙和潤滑油的黏度則決定了油膜的狀態(tài)。

4 改進(jìn)設(shè)計

基于以上分析，為驗證潤滑因素的影響，設(shè)計部給出了兩種優(yōu)化設(shè)計方案，見表1。軸承油槽和雙聯(lián)齒輪泄油槽優(yōu)化設(shè)計圖如圖4所示。

圖4 雙聯(lián)齒輪軸承油槽

圖5 雙聯(lián)齒輪軸溫度傳感器布置

圖6 機(jī)油溫度對比曲線

圖7 齒輪軸溫度Tgl對比曲線

5 試驗驗證及結(jié)果分析

為確保結(jié)果的可靠性，相同條件下的試驗，對上述三個方案重復(fù)進(jìn)行對比比較。

5.1 試驗傳感器的布置

為便于各試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，選擇齒輪軸溫度進(jìn)行試驗跟蹤，采樣頻率10 Hz，試驗前進(jìn)行齒輪軸加工，安裝不同深度的熱電偶2個，傳感器尾線從飛輪殼穿出，試驗傳感器安裝及布置如圖5所示。

5.2 試驗測試方案

試驗機(jī)油選擇機(jī)油15W-40進(jìn)行試驗，試驗工況的選擇原則是選擇相對苛刻的運行工況和模擬樣機(jī)的失效工況，見表2。

表1 改進(jìn)方案

表5 試驗測試工況

5.3 試驗結(jié)果對比

5.3.1 低溫冷起動加速試驗

圖6～圖8為低溫冷起動加速試驗結(jié)果。從三種狀態(tài)的試驗結(jié)果來看，軸承的不同結(jié)構(gòu)直接影響了齒輪軸溫度的差異，原方案和兩種改進(jìn)方案相比，前60 s溫度的變化有差異，原設(shè)計方案齒輪軸溫度在樣機(jī)啟動后迅速持續(xù)上升，而改進(jìn)方案1和改進(jìn)方案2齒輪軸溫度是逐步上升；210 s后，原方案齒輪軸溫度較改進(jìn)方案軸溫要高10℃左右；改進(jìn)方案1和改進(jìn)方案2相比，210 s后的最終溫度差異不大。

5.3.2 低溫PTO加載試驗

根據(jù)試驗結(jié)果可以看出，即便是穩(wěn)態(tài)的試驗循環(huán)，不同軸承方案也出現(xiàn)了齒輪軸溫度的差異和機(jī)油壓力的差異，從而驗證了前面的分析，見圖9～圖11。改進(jìn)方案2和改進(jìn)方案1的差異不是太明顯，但改進(jìn)方案1的機(jī)油壓力比改進(jìn)方案2的壓力偏高，考慮到改進(jìn)方案1比改進(jìn)方案2更容易實現(xiàn)，因而采用改進(jìn)方案1作為變更設(shè)計的優(yōu)選方案。

采用改進(jìn)方案1進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)后，經(jīng)整車耐久試驗考核和客戶試驗考核，截止目前為止，尚未再次出現(xiàn)類似雙聯(lián)齒輪的失效事件。

圖8 齒輪軸溫度Tgs對比曲線

6 結(jié)論

本文通過試驗方法，對雙聯(lián)齒輪失效問題進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：

（1）造成軸承失效的根本原因是齒輪副的潤滑問題，原軸承設(shè)計方案不夠合理。

（2）在軸承生產(chǎn)過程中，對油槽的加工沒有引起足夠的重視，從而造成了軸承油槽的結(jié)構(gòu)尺寸不合格，后續(xù)生產(chǎn)中應(yīng)加強(qiáng)對零部件的質(zhì)量控制，提高零件的檢測頻次。

（3）對雙聯(lián)齒輪的不同設(shè)計方案的試驗對比，證明了軸承結(jié)構(gòu)對齒輪軸溫度和機(jī)油溫度有直接的影響。對于無法進(jìn)行潤滑模擬計算的企業(yè)，該試驗分析對比具有積極的現(xiàn)實意義，可以快速為設(shè)計改進(jìn)提供明確的方向。

圖9 機(jī)油壓力對比曲線

圖10 齒輪軸溫度Tgl對比曲線

圖11 齒輪軸溫度Tgs對比曲線

[1]周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

[2]柴油機(jī)設(shè)計手冊編輯委員會.柴油機(jī)設(shè)計手冊[M].北京：中國農(nóng)業(yè)機(jī)械工業(yè)出版社，1984.

[3]陳傳舉.內(nèi)燃機(jī)活塞裙部型面設(shè)計[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

Failure Analysis and Test of Stepped Gear Bearing of Diesel Engine

Fu Yanli,Zhang Xuelong,Wang Ben
（Hualing Automobile Co.,Ltd.,Maanshan 243061,China）

One engine stepped-gear occurred failure,test guy use the test method to find the difference for different improved solutions,verify the difference,provided strongly the evidence for clear improvement.

stepped gear bearing,failure,rig test

10.3969/j.issn.1671-0614.2017.01.008

來稿日期：2016-05-21

付艷麗（1978-），女，工程碩士，主要研究方向為柴油機(jī)機(jī)械開發(fā)試驗。