空調(diào)壓縮機皮帶輪軸承失效分析及優(yōu)化設(shè)計

周明杰，侯鴻基，張春秋

東風(fēng)汽車有限公司東風(fēng)日產(chǎn)乘用車公司技術(shù)中心，廣東廣州 510800)

0 引言

滾動軸承作為空調(diào)壓縮機離合器皮帶輪總成的關(guān)鍵部件，起支撐電磁離合器工作的作用。由于它長期工作在高張力、高溫、高轉(zhuǎn)速的條件下，經(jīng)常出現(xiàn)磨損不良。而皮帶輪軸承的磨損使壓縮機在使用過程中出現(xiàn)異響、皮帶輪打滑無法工作等故障進而導(dǎo)致客戶抱怨[1]。因此，研究皮帶輪軸承磨損失效機制，制定改善對策，對提升皮帶輪軸承使用壽命具有重要意義。

車用空調(diào)壓縮機皮帶輪通常使用雙列角接觸軸承，該類型軸承具備高速性、潤滑脂長效性以及優(yōu)異的密封性等特點。某車型壓縮機在耐久實驗中皮帶輪軸承出現(xiàn)異響且皮帶輪轉(zhuǎn)動有卡頓感，表現(xiàn)為軸承內(nèi)圈出現(xiàn)剝落。為進一步明確該軸承的失效原因，對失效零件進行綜合分析[2-3]。

1 故障情況

皮帶輪軸承內(nèi)圈安裝在壓縮機前蓋軸頸部與其形成過渡配合，通過擋圈將軸承端部固定在壓縮機前蓋上；軸承外圈安裝在皮帶輪軸承安裝孔處與其形成過盈配合，通過皮帶輪軸承孔鉚接進行軸承端面固定(圖1)。

某車型壓縮機在臺架綜合耐久實驗進行至1 200 h后進行一般性檢查時發(fā)現(xiàn)壓縮機皮帶輪轉(zhuǎn)動有異響同時軸承轉(zhuǎn)動有明顯的卡頓感，其他零件未見異常，軸承與皮帶輪關(guān)聯(lián)裝配尺寸檢測結(jié)果合格。

2 檢測分析

2.1 宏觀分析

失效軸承外觀整體正常，軸承內(nèi)外徑面與皮帶輪軸承孔和壓縮機前端蓋配合痕跡明顯[圖2 (a)]，軸承保持架和密封圈無破損，潤滑脂顏色正常[圖2(b)]。內(nèi)圈滾道靠近壓縮機側(cè)有多處剝落痕跡(圖3)，對應(yīng)外圈滾道及鋼球表面出現(xiàn)因剝落碎片產(chǎn)生的壓痕(圖4)。

圖2 失效軸承外觀及軸承保持架密封圈

圖3 失效軸承內(nèi)圈滾道多處剝落

圖4 失效軸承鋼球表面壓傷及外圈滾道對應(yīng)壓痕

2.2 化學(xué)成分檢測

對失效軸承內(nèi)圈、外圈以及鋼球進行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。軸承內(nèi)外圈以及鋼球的化學(xué)成分符合GB/T 18254—2016《高碳鉻軸承鋼》中對GCr15鋼的化學(xué)成分要求。

2.3 硬度檢測

用洛氏硬度計對失效軸承各零件按 GB/T 230.1—2018《金屬材料 洛氏硬度試驗 第1部分:試驗方法》進行硬度測試，結(jié)果見表 2。軸承內(nèi)外圈以及鋼球的硬度都滿足規(guī)定值。

表1 皮帶輪軸承的化學(xué)成分w %

表2 皮帶輪軸承組件硬度

2.4 金相分析

對失效軸承內(nèi)圈滾道進行金相分析，結(jié)果見圖5。

內(nèi)圈滾道的金相組織主要為淬回火組織，馬氏體、碳化物和殘余奧氏體組織，按照J(rèn)B/T 1255—2014《滾動軸承 高碳鉻軸承鋼零件 熱處理技術(shù)條件》中淬回火后的顯微組織技術(shù)要求，失效軸承內(nèi)圈滾道的馬氏體組織評級為2級，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 原因分析

失效軸承內(nèi)圈的化學(xué)成分、金相組織以及硬度測試結(jié)果符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，排除因軸承制造偏差導(dǎo)致的剝落失效。由于剝落僅存在于靠近壓縮機側(cè)的內(nèi)圈滾道，對各列軸承載荷和壽命進行校核，結(jié)果見表3。

表3 各列軸承載荷及壽命對比

軸承靠近壓縮機列當(dāng)量載荷以及壽命與靠近離合器列相比有明顯差距。軸承中心到皮帶輪槽中心在軸向上的偏心距較大，如圖6所示，導(dǎo)致靠近壓縮機列軸承存在受力過大的情況，隨著運轉(zhuǎn)時間增加，靠近壓縮機列軸承由于承受較大的應(yīng)力，滾道表面產(chǎn)生磨損進而產(chǎn)生剝落碎片，軸承運轉(zhuǎn)時出現(xiàn)卡頓以及異響。

圖6 軸承中心到皮帶輪中心偏心距

4 改進措施

通過減小軸承中心到皮帶輪槽中心的偏心距進行改善，改善后的各列軸承載荷和壽命計算結(jié)果如表4，靠近壓縮機列軸承壽命從379 h增加至737 h，提升約94.4%。

表4 偏心距改善后各列軸承載荷及壽命對比

使用改善后的皮帶輪重新進行壓縮機臺架耐久實驗，實驗后軸承轉(zhuǎn)動正常無異響，拆解后內(nèi)外圈滾道無異常，如圖7所示。

圖7 耐久實驗后軸承內(nèi)外圈滾道

5 結(jié)論

通過對壓縮機皮帶輪軸承異響失效的原因進行綜合分析，確認(rèn)失效原因是由于軸承中心到皮帶輪槽中心的軸向偏心距過大，導(dǎo)致靠近壓縮機列軸承存在應(yīng)力過大的情況，長時間運行后滾道產(chǎn)生磨損剝落。采用減小軸承與帶輪槽中心偏心距的優(yōu)化方案，將單列軸承壽命從379 h提升至737 h，并順利通過耐久實驗考核。該研究為汽車空調(diào)壓縮機皮帶輪組件設(shè)計提供參考。