某型汽車變速箱用深溝球軸承故障分析

王多亮，尚延峰，鄧彥龍

某型汽車變速箱用深溝球軸承故障分析

王多亮1，尚延峰2，鄧彥龍3

（1. 哈爾濱軸承集團(tuán)公司 制造技術(shù)部，黑龍江 哈爾濱 150036；2. 哈爾濱軸承集團(tuán)公司 小型圓錐軸承分廠，黑龍江 哈爾濱 150036；3. 哈爾濱哈軸精密軸承制造有限公司，黑龍江 哈爾濱 150036 ）

針對(duì)某型車變速箱軸承早期疲勞剝落、導(dǎo)致變速箱異響的問(wèn)題，對(duì)故障軸承的外觀、尺寸、硬度、組織、工作表面燒傷等情況進(jìn)行了檢測(cè)分析，確定了產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因?yàn)楫愇镞M(jìn)入。制定了相應(yīng)的預(yù)防措施，避免該類故障的再次發(fā)生。

汽車變速箱；深溝球軸承；早期疲勞剝落，異物進(jìn)入

1　前言

汽車變速箱是進(jìn)行動(dòng)力轉(zhuǎn)換的機(jī)械設(shè)備。汽車變速箱軸承主要對(duì)變速器齒輪起支承作用，對(duì)于汽車安全運(yùn)行非常重要。某汽車變速箱輸出軸支承軸承，結(jié)構(gòu)為單側(cè)帶卷邊防塵蓋的深溝球型，非密封側(cè)外圈有止動(dòng)槽，保持架是玻璃纖維增強(qiáng)尼龍66。通過(guò)對(duì)該型號(hào)軸承滾道出現(xiàn)早期疲勞剝落的分析，確定軸承失效的原因，避免此類現(xiàn)象的重復(fù)出現(xiàn)，降低經(jīng)濟(jì)損失，保證車輛的安全行駛。

2　故障現(xiàn)象調(diào)查

該車輛行駛6012km后軸承出現(xiàn)故障，故障現(xiàn)象為行駛時(shí)變速器有異響。更換故障軸承后，故障現(xiàn)象消失。將故障軸承返廠后進(jìn)行了外觀檢查及分解檢測(cè)。

2.1外圈

外觀檢查發(fā)現(xiàn)，軸承外圈外徑表面存在一處明顯的磨損痕跡，沿外徑表面60°左右分布，寬度接近外圈寬度的一半，位置從外圈止動(dòng)槽內(nèi)邊緣延伸到外圈寬度中心處（圖 1），外徑表面其他部位未見(jiàn)異常；外圈溝道存在一處明顯的疲勞剝落區(qū)域，面積約6mm×4mm（圖 2），位置與外徑表面磨損處相對(duì)應(yīng)，剝落區(qū)域周圍存在一些小的剝落點(diǎn)，溝道其他區(qū)域無(wú)異常。

圖1　外徑表面特征

圖2　外圈溝道剝落

2.2內(nèi)圈

內(nèi)圈內(nèi)徑表面在距離軸承端面二分之一處存在黑褐色拖痕，拖痕沿內(nèi)徑面分布在圓周360°范圍內(nèi)（圖 3）；內(nèi)溝道存在輕微的凹坑（圖4），經(jīng)放大觀看凹坑大小不一，分布在整個(gè)內(nèi)溝道區(qū)域，在溝底處較多，其他部位無(wú)明顯異常。

圖3　內(nèi)徑表面特征

圖4　內(nèi)圈溝道剝落

2.3鋼球、保持架

鋼球表面無(wú)缺陷；保持架外觀完整，平整，光滑，無(wú)裂紋、破損、折斷劃傷、磕碰等現(xiàn)象，兜孔表面光滑無(wú)毛刺。

2.4其他情況

防塵蓋完整、無(wú)塌陷及磕碰傷，在外圈牙槽內(nèi)的防塵蓋在外力作用下無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象；止動(dòng)槽內(nèi)存在疑似鐵屑的物質(zhì)及不明乳白色塊狀物質(zhì)（圖5）。

圖5　止動(dòng)槽內(nèi)異物

3　故障機(jī)理分析

滾動(dòng)接觸疲勞主要分三種類型：次表面起源型疲勞；表面起源型疲勞［1］；尺寸、旋轉(zhuǎn)精度大幅度超差造成受力不均導(dǎo)致的疲勞剝落。

（1）次表面起源型疲勞。根據(jù)Hertz理論，在滾動(dòng)接觸載荷作用下，組織發(fā)生變化并在表面下某一深度（即次表面）開(kāi)始出現(xiàn)顯微裂紋，顯微裂紋的出現(xiàn)常常是由軸承鋼中的夾雜物引起的。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分析主要有兩種原因易造成軸承的失效：一種是原材料帶狀碳化物超標(biāo)，造成局部材料脆性；另一種是鍛造過(guò)程造成網(wǎng)狀碳化物超標(biāo)，造成整體材料晶粒過(guò)大，形成脆性剝落。

（2）表面起源型疲勞是由表面損傷造成的一種失效模式。表面損傷是在潤(rùn)滑狀況劣化且出現(xiàn)一定程度的滑動(dòng)時(shí)，對(duì)滾動(dòng)接觸金屬表面微凸體的損傷。由于污染顆粒物或貯運(yùn)、塑性變形形成的壓痕均可導(dǎo)致表面起源型疲勞，主要影響因素有三種：其一為熱處理回火球化組織、硬度超差，造成晶格結(jié)合強(qiáng)度不足、耐磨性能降低；其二為溝道磨削冷卻不足產(chǎn)生燒傷，產(chǎn)生高溫回火組織，組織硬度嚴(yán)重不足；其三為溝道工作過(guò)程受外力、污染物影響，產(chǎn)生局部應(yīng)力過(guò)大。

（3）尺寸與旋轉(zhuǎn)精度嚴(yán)重不足，造成工作載荷突變，形成過(guò)大應(yīng)力，在交變的材料極限應(yīng)力作用下形成剝落源而失效。

4　試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1故障件檢測(cè)

對(duì)故障件的套圈及鋼球進(jìn)行了尺寸、硬度及金相組織、材料網(wǎng)狀和帶狀碳化物、燒傷、電鏡掃描檢測(cè)。

（1）尺寸檢測(cè)（表 1 ）

表 1　成品零件精度檢測(cè)結(jié)果/μm

尺寸精度合格，外徑剝落處單點(diǎn)橢圓輕度超差，屬正?，F(xiàn)象（剝落引起）。

（2）硬度檢測(cè)（表 2 ）

表 2　零件硬度檢測(cè)結(jié)果/HRC

（3）組織檢測(cè)（表 3 ）

表 3　零件組織檢測(cè)結(jié)果/級(jí)

按JB/T1255-2014《滾動(dòng)軸承 高碳鉻軸承鋼零件熱處理技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，該故障軸承內(nèi)、外套及鋼球的淬回火組織及硬度均合格。

圖6 為外圈溝道剝落處組織檢測(cè)，從檢測(cè)結(jié)果看，其組織為3級(jí)淬回火組織，滿足產(chǎn)品要求；經(jīng)酸洗檢測(cè)，工作表面未見(jiàn)燒傷痕跡；經(jīng)帶狀碳化物檢測(cè)，未見(jiàn)超標(biāo)（見(jiàn)圖 7）；經(jīng)網(wǎng)狀碳化物檢測(cè)，未見(jiàn)超標(biāo)（見(jiàn)圖 8）；經(jīng)電鏡對(duì)剝落區(qū)域掃描分析，發(fā)現(xiàn)GCr15軸承鋼外來(lái)材料元素Al（見(jiàn)圖 9 和表 4）。

4.2同批次產(chǎn)品抽檢

圖6　外圈溝道剝落坑組織，500×

圖7　套圈帶狀碳化物，100×

圖8　套圈網(wǎng)狀碳化物，500×

圖9　電鏡掃描圖片

表 4　電鏡掃描分析結(jié)果

驗(yàn)證過(guò)程中對(duì)同批次加工的產(chǎn)品抽取1套進(jìn)行單一平面外徑偏差測(cè)量、電鏡掃描其表面及內(nèi)部。單一平面外徑偏差-3～-5μm，滿足其技術(shù)要求，電鏡掃描未發(fā)現(xiàn)Al 元素。

4.3結(jié)論

通過(guò)以上分析，逐一排除故障原因，故本套軸承失效原因?yàn)槠渌慵樾歼M(jìn)入軸承工作表面，造成單點(diǎn)受力不均和過(guò)載現(xiàn)象，最終造成軸承外溝道的早期疲勞剝落。

5　預(yù)防措施

造成軸承的失效原因很多，包括設(shè)計(jì)、加工制造、選配、安裝、使用等。軸承的使用維護(hù)不當(dāng)常常造成軸承的使用精度、壽命降低，或軸承的早期失效。根據(jù)本次軸承故障，建議對(duì)以下幾方面進(jìn)行控制。

（1）通過(guò)制定嚴(yán)格的加工工藝及檢測(cè)手段對(duì)殼體、軸的幾何精度、旋轉(zhuǎn)精度及粗糙度進(jìn)行控制；

（2）保證殼體和軸的清潔度，避免水、灰塵等異物的進(jìn)入；

（3）通過(guò)對(duì)潤(rùn)滑油進(jìn)行過(guò)濾、監(jiān)控保證油路的清潔度。

［1］ T.A.Harris， Michael N.Kotzalas .滾動(dòng)軸承分析［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［2］ JB/T1255-2014，滾動(dòng)軸承 高碳鉻軸承鋼零件熱處理技術(shù)條件［S］.

（編輯：王立新）

Failure analysis of a certain type of deep groove ball bearing used for automobile gearbox

Wang Duoliang1， Shang Yanfeng2， Deng Yanlong3
（ 1. Manufacturing Technology Department， Harbin Bearing Group Corporation， Harbin 150036，China； 2. Small Tapered Bearing Sub-factory， Harbin Bearing Group Corporation， Harbin 150036，China； 3. Harbin Hazhou Precision Bearing Manufacturing Co.，Ltd.， Harbin 150036， China ）

Aiming at the problem of early fatigue spalling of bearing for a certain of type car gearbox， which results in abnormal sound transmission of the car gearbox， the size， hardness， microstructure and surface burn etc. were detected and analyzed. By doing this， it was determined that the cause of the problem was foreign matter entry. Appropriate preventive measures were established to avoid the fault happening again.

automobile gearbox； deep groove ball bearing； early fatigue spalling； foreign matter entry

TH133.33+1

B

1672-4852（2016）03-0013-03

2016-07-13.

王多亮（1980-），男，工程師.