淺析汽車變速器滾針軸承燒蝕原因及預(yù)防措施

李偉英

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

淺析汽車變速器滾針軸承燒蝕原因及預(yù)防措施

李偉英

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

為確定某變速器滾針軸承燒蝕導(dǎo)致傳動(dòng)齒輪抱死的原因，文章從對變速器零件尺寸、清潔度、材質(zhì)、壓裝工藝等調(diào)查及尺寸鏈校核等方面進(jìn)行分析，并制作樣件在臺(tái)架上模擬故障再現(xiàn)試驗(yàn)，從而推斷導(dǎo)致軸承燒蝕的原因，并根據(jù)軸承燒蝕原因制定了相應(yīng)的解決方案。

汽車變速器；滾針軸承；燒蝕原因；徑向間隙；汽車產(chǎn)業(yè)

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，汽車已成為人們出行的必要交通工具，而汽車變速器問題也是人們最為關(guān)心的問題之一。除了一些影響NVH及操控性能問題外，還有一些會(huì)影響到行車安全，可能導(dǎo)致交通事故的發(fā)生，因此，人們對汽車變速器的安全性、可靠性提出了越來越高的要求。滾針軸承燒蝕極端情況下會(huì)造成車輛驅(qū)動(dòng)輪抱死，導(dǎo)致車輛甩尾或失控，屬于變速器最危險(xiǎn)的失效模式之一。軸承燒蝕的原因很多，包括間隙配合、強(qiáng)度設(shè)計(jì)、零件尺寸加工、清潔度、裝配工藝等。本文針對變速器滾針軸承燒蝕原因進(jìn)行分析研究，以期對軸承燒蝕及其他傳動(dòng)類零件燒蝕失效分析提供參考。

1 問題描述

某后輪驅(qū)動(dòng)車型在車輛行駛過程中，發(fā)生驅(qū)動(dòng)輪抱死導(dǎo)致無法行駛，經(jīng)對變速器拆解，發(fā)現(xiàn)一檔從動(dòng)齒輪處滾針軸承燒蝕、損壞（見圖1），導(dǎo)致一檔齒輪與襯套之間卡死。根據(jù)滾針軸承、襯套及一檔齒輪在輸出軸上的裝配位置（見圖2）可知，襯套與輸出軸通過過盈配合壓裝在一起，齒輪與襯套之間裝有滾針軸承，正常情況下，齒輪通過滾針軸承相對輸出軸及襯套轉(zhuǎn)動(dòng)，如果滾針軸承燒蝕、損壞會(huì)導(dǎo)致齒輪與襯套之間無法正常相對運(yùn)轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致變速箱內(nèi)部運(yùn)動(dòng)干涉、卡死，無法正常輸出動(dòng)力。

圖1 滾針軸承燒蝕、損壞情況

圖2 滾針軸承裝配位置示意圖

2 故障原因分析

2.1 滾針軸承燒蝕機(jī)理分析

為保證齒輪能夠相對襯套正常運(yùn)轉(zhuǎn)，滾針軸承與齒輪及襯套之間必須存有一定間隙，并保證充足的潤滑，如果間隙不合理或潤滑不足，會(huì)導(dǎo)致滾針軸承與齒輪及襯套之間運(yùn)轉(zhuǎn)不暢，異常磨損發(fā)熱，同時(shí)發(fā)熱產(chǎn)生高溫造成零件熱漲，滾針軸承與各零件之間的配合間隙減小甚至完全消除，引起運(yùn)動(dòng)干涉，加劇軸承異常磨損，最終導(dǎo)致燒蝕、卡死。

2.2 零件檢測分析

根據(jù)滾針軸承的裝配位置關(guān)系，影響其徑向間隙的關(guān)鍵尺寸有輸出軸直徑、襯套內(nèi)徑、襯套外徑、軸承滾針直徑、齒輪內(nèi)徑。其中輸出軸直徑偏大或襯套內(nèi)徑偏小，都會(huì)導(dǎo)致襯套在壓裝到輸出軸上后外徑漲大。而襯套外徑偏大、軸承滾針直徑偏大、齒輪內(nèi)徑偏小均會(huì)直接導(dǎo)致軸承配合間隙過小。通過對故障變速箱拆檢，發(fā)現(xiàn)齒輪內(nèi)孔異常磨損，軸承滾針燒蝕、嚴(yán)重變形，經(jīng)對相關(guān)零件關(guān)鍵尺寸進(jìn)行檢測（見表1），襯套內(nèi)徑存在超下差情況，部分尺寸因零件損壞、磨損無法檢測。

表1 故障件關(guān)鍵尺寸檢測結(jié)果（mm）

2.3 材質(zhì)檢測

襯套材質(zhì)采用GCr15，根據(jù)《高碳鉻軸承鋼》（GB/T 18254-2002）標(biāo)準(zhǔn)，對襯套故障件材質(zhì)進(jìn)行檢測，結(jié)果如表2所示?；瘜W(xué)成分檢測結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 化學(xué)成分檢測結(jié)果(%)

2.4 潤滑及異物因素分析

對故障變速器內(nèi)部進(jìn)行檢查，油道無堵塞，變速器齒輪油油量及油品未發(fā)現(xiàn)異常。該變速器各檔位齒輪共采用六個(gè)滾針軸承，如清潔度或油品問題，不會(huì)集中造成某一檔位滾針軸承燒蝕，其他檔位也會(huì)存在同類問題。根據(jù)上述分析判斷，基本排除因潤滑不良及異物侵入導(dǎo)致滾針軸承燒蝕的可能。

2.5 尺寸鏈校核

對輸出軸與襯套壓裝過盈量及滾針軸承與齒輪、襯套間隙進(jìn)行極限尺寸計(jì)算校核（見表3），從計(jì)算結(jié)果看，軸承與齒輪及襯套裝配后極限情況下理論最小間隙為0.014mm，襯套與輸出軸之間最大過盈量為0.026mm。

表3 壓裝過盈量及軸承間隙計(jì)算結(jié)果（mm）

根據(jù)理論計(jì)算，極限尺寸下滾針軸承存在合理間隙可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但在實(shí)際中襯套與輸出軸因過盈配合壓裝后會(huì)造成襯套外徑膨脹或變形，因此軸承間隙會(huì)相應(yīng)減小，為確認(rèn)過盈量對壓裝后襯套外徑的影響，分別制作不同過盈量的樣件進(jìn)行壓裝驗(yàn)證（見表4），從驗(yàn)證結(jié)果看，輸出軸與襯套之間的過盈量越大，襯套壓裝后外徑尺寸膨脹量也越大，并且存在膨脹量大于0.014mm情況，此時(shí)當(dāng)滾針軸承與齒輪、襯套間隙處于下偏差時(shí)，因襯套外徑漲大量大于滾針軸承與齒輪、襯套間隙，導(dǎo)致滾針軸承間隙過小引起運(yùn)轉(zhuǎn)卡滯。

表4 襯套壓裝驗(yàn)證結(jié)果（mm）

2.6 故障模式再現(xiàn)試驗(yàn)

模擬零件尺寸超差或各零件關(guān)鍵尺寸處于極限公差，分別制作樣件，壓裝后裝配在變速器總成上，模擬整車載荷進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，觀察滾針軸承運(yùn)動(dòng)狀況及失效磨損。試驗(yàn)結(jié)果如表5所示：

表5 試樣試驗(yàn)結(jié)果（mm）

通過故障模式再現(xiàn)試驗(yàn)可以看出，當(dāng)滾針軸承與齒輪及襯套之間存在間隙時(shí)正常運(yùn)轉(zhuǎn)1小時(shí)未發(fā)現(xiàn)異常；由于零件尺寸超差或各相關(guān)零件均處于極限尺寸時(shí)，經(jīng)壓裝和裝配后滾針軸承與齒輪及襯套之間已沒有間隙，運(yùn)轉(zhuǎn)干涉，短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)滾針軸承燒蝕現(xiàn)象，失效模式和故障車輛上滾針軸承燒蝕的失效模式相同。

3 原因分析

通過上述分析及試驗(yàn)驗(yàn)證得出：（1）造成滾針軸承燒蝕的原因較多，如軸承內(nèi)侵入硬質(zhì)異物、潤滑油道堵塞或潤滑油變質(zhì)導(dǎo)致潤滑不良、零件材質(zhì)不合格、軸承與齒輪之間運(yùn)動(dòng)間隙過小等因素均可能導(dǎo)致滾針軸承運(yùn)轉(zhuǎn)不暢而出現(xiàn)燒蝕、損壞現(xiàn)象發(fā)生。根據(jù)對故障件的拆檢分析，初步排除異物、潤滑、材質(zhì)等因素，判斷是由于滾針軸承間隙過小導(dǎo)致；（2）該變速器結(jié)構(gòu)為通過壓裝方式使襯套內(nèi)徑與輸出軸直徑過盈配合，滾針軸承間隙的大小不僅與其及相配合的零件尺寸有關(guān)，如軸承滾針本身直徑、輸出軸直徑、襯套內(nèi)徑、襯套外徑、齒輪孔徑等關(guān)鍵尺寸，還與零件之間的壓裝工藝、裝配工藝等有關(guān)，零件關(guān)鍵尺寸超差或壓裝及裝配造成零件尺寸變化均可能造成滾針軸承與齒輪間隙過小；（3）襯套與輸出軸的壓裝工藝不合理，無過程壓裝力報(bào)警裝置，且壓裝力上限值偏大，達(dá)到20kN，正常情況襯套壓入力一般不大于8kN，當(dāng)出現(xiàn)襯套與輸出軸過盈量偏大時(shí)，壓裝設(shè)備通過上限壓力將襯套強(qiáng)制壓入輸出軸上，從而導(dǎo)致襯套壓裝后外徑存在較大的膨脹量，造成滾針軸承間隙過小；（4）各零件尺寸公差設(shè)計(jì)不夠合理，因輸出軸與襯套通過壓裝過盈配合，在設(shè)計(jì)滾針軸承與齒輪、襯套間隙時(shí)，未考慮到襯套壓裝后外徑的膨脹量會(huì)造成理論間隙的減小，當(dāng)各零件分別處于極限尺寸時(shí)，存在滾針軸承間隙被完全抵消甚至出現(xiàn)負(fù)間隙的情況。

4 問題解決

4.1 解決方案

（1）對襯套壓裝設(shè)備進(jìn)行改造，將壓裝上限壓力由原來的20kN更改為8kN，并增加過程壓力報(bào)警裝置，當(dāng)過盈量過大時(shí)，壓裝力達(dá)到8kN時(shí)設(shè)備自動(dòng)報(bào)警；（2）對涉及徑向尺寸的零件收縮公差，通過選配軸承滾針直徑，從而控制襯套與輸出軸過盈量范圍及適當(dāng)增大滾針軸承徑向間隙；（3）加強(qiáng)對零件尺寸的控制，對關(guān)鍵尺寸進(jìn)行100%檢測確認(rèn)，防止不合格品流入后續(xù)工序。

4.2 方案驗(yàn)證

上述解決方案實(shí)施后，隨機(jī)抽取5套零件進(jìn)行檢測、計(jì)算，相關(guān)結(jié)果如下：

表6 改進(jìn)后滾針軸承間隙計(jì)算結(jié)果（mm）

結(jié)論：（1）通過加強(qiáng)控制零件關(guān)鍵尺寸，優(yōu)化壓裝工藝，同時(shí)對零件的尺寸公差進(jìn)行優(yōu)化，襯套壓裝后的外徑膨脹量明顯減小且穩(wěn)定；（2）通過選配軸承滾針直徑，進(jìn)一步放大軸承配合間隙，確保滾針軸承間隙穩(wěn)定在合理范圍內(nèi)，且零件質(zhì)量一致性明顯改善。

5 結(jié)語

本文通過對滾針軸承潤滑、異物侵入、零件質(zhì)量調(diào)查、尺寸鏈設(shè)計(jì)校核等影響軸承燒蝕因素的分析，確定變速器滾針軸承燒蝕的原因，從而制定相應(yīng)解決方案，防止?jié)L針軸承燒蝕故障再次發(fā)生，消除用戶行車安全隱患。滾針軸承燒蝕原因的分析對其他相關(guān)軸承燒蝕也有著借鑒意義，在零件尺寸鏈校核、壓裝工藝、裝配工藝等方面應(yīng)盡可能避免上述因素造成的零件燒蝕失效。

[1]高維山．變速器[M]．北京：人民交通出版社，1990.

[2]汽車工程手冊編輯委員會(huì)．汽車工程手冊：制造篇[M]．北京：人民交通出版社，2001.

[3]王望予．汽車設(shè)計(jì)（第4版）[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

（責(zé)任編輯：蔣建華）

TH133

1009-2374（2017）07-0097-02

10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.07.045

李偉英，女，上汽通用五菱汽車股份有限公司工程師，研究方向：汽車研發(fā)及質(zhì)量管理。

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