電動輕卡前輪轂軸承失效分析

談智輝 張傳業(yè) 李曉輝

摘 ?要：輪轂軸承是汽車前后橋上重要的零件之一，它通過傳遞載荷和本身的旋轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)汽車的正常行駛。某汽車行駛到2-3萬公里左右時，多輛車出現(xiàn)前軸輪轂軸承異響、松曠的不良反饋。通過對故障車輛的相關(guān)零部件進行失效分析，發(fā)現(xiàn)故障是輪轂軸承出現(xiàn)疲勞失效引起，又經(jīng)過對輪轂軸承分別在標(biāo)載和超載狀態(tài)下行駛壽命計算，前軸系統(tǒng)剛度有限元分析，以及軸承關(guān)鍵項目的型式試驗鑒定，確定失效一是前軸及輪轂軸承過載，二是輪轂軸承本身質(zhì)量不合格造成。

關(guān)鍵詞：輪轂軸承;疲勞壽命;過載;軸承質(zhì)量

中圖分類號：U467 ? ? 文獻標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1005-2550（2021）03-0065-04

Failure Analysis Of Front Hub Bearing Of Electric Light Truck

TAN Zhi-hui， ZHANG Chuan-yie， LI Xiao-hui

（Hunan automobile axle Engineering Technology Research Center， Changde 415400， China）

Abstract： The wheel hub is one of the important parts on the front and rear axles of the truck .It transmits the load and its own rotary motion to achieve the normal driving of the truck. When a truck travels 20，000 to 30，000 kilometers，multiple truck experience unusual noise and loose feedback from the front axle hub .throungh the failure analysis of the related parts of the faulty vehicle，it was found that the failure was cused by fatigue failure of the wheel bearing.after a finite element analysis of the stiffness of the front axle system，thewheel hub axle was calculated for driving life under standard and overload conditions，and the test of the key project confirmed that the failure was csused by overload of the front axle and hub bearings，and the failure of the hub bearings itself.

Key Words： Hub Bearing; Fatigue Life; Overload; Bearing Quality

談智輝

畢業(yè)于太原機械學(xué)院車輛工程專業(yè)，本科學(xué)歷，現(xiàn)就職于湖南省汽車車橋工程技術(shù)研究中心，任車橋研究所主任工程師，主要負責(zé)汽車車橋研發(fā)與設(shè)計，已發(fā)表論文兩篇。

引 ?言

汽車前軸輪端，結(jié)構(gòu)上一般采用在輪轂腔內(nèi)設(shè)計一對相對布置的圓錐滾子軸承，通過端部鎖緊螺母調(diào)整軸承游隙。為防止軸承潤滑油脂泄漏，內(nèi)軸承外端設(shè)計有密封元件，見圖一。

輪端的作用是將前軸的載荷傳遞到車輪，同時自身作旋轉(zhuǎn)運動，以保證車輛正常行駛。

某純電動輕卡在行駛里程為2-3萬公里左右時，多輛車不同程度地出現(xiàn)前軸輪端異響，松曠、嚴(yán)重時甚至出現(xiàn)前輪甩脫的失效故障。

1 ? ?故障件失效模式分析

圖二和圖三分別為失效零件故障照片。圖二中，轉(zhuǎn)向節(jié)軸頸與軸承內(nèi)圈是過渡配合，圖中能清晰地觀察到表面已高溫變色，屬軸承內(nèi)圈與軸頸產(chǎn)生相對旋轉(zhuǎn)，在前軸載荷的作用下，表面摩擦高溫所致。圖三中，外軸承內(nèi)圈及滾動體表面也已高溫變色并出現(xiàn)表面剝落、局部麻坑，表明滾動體表面接觸應(yīng)力偏大，已出現(xiàn)不同程度的疲勞點蝕。

通過市場調(diào)查，該批純電動輕卡前軸實際使用負荷已達3000Kg左右，已明顯超出理論設(shè)計負荷（2000Kg），超載達50%左右。過量的超載將使得前軸輪端工作環(huán)境惡化，軸承出現(xiàn)異常磨損和疲勞點蝕。

軸承滾動體出現(xiàn)疲勞點蝕，也可能與軸承本身的質(zhì)量指標(biāo)達不到標(biāo)準(zhǔn)要求有關(guān)。

另處，由于純電動輕卡屬電機直驅(qū)，電機在車輛起步階段的恒扭矩輸出特性，與燃油發(fā)動機的輸出特性相比，前軸系統(tǒng)承受的瞬時沖擊明顯加劇，也會造成輪端軸承出現(xiàn)異常磨損和疲勞點蝕，使得軸承壽命急速下降。

2 ? ?輪轂內(nèi)、外軸承壽命計算

1）電動輕卡及相關(guān)零部件基本參數(shù)如下：

軸距L=3360mm ? Tr輪距=1610 mm ? r車輪滾動半徑=345 mm

w1前軸軸荷（標(biāo)載）=2000Kg ? W2前軸軸荷（超載）=3000Kg

內(nèi)軸承32309 ? ?Y=1.5 ? ? ?e=0.4 ? ? ? ?Cr=80.8KN

外軸承32306 ? ?Y=1.9 ? ? ?e=0.31 ? ? ?Cr=59KN

2）考慮電動輕卡的實際服役情況，其路面譜、載荷譜設(shè)定如下：

路面譜分布：

載荷譜分布：

3）輪端軸承力學(xué)模型建立：

結(jié)構(gòu)模型和力學(xué)模型見圖四，其中：N：單個輪胎的負荷 N=W/2 ?S1、S2：輪轂外、內(nèi)軸承支承反力。

4）壽命計算：

根據(jù)路面譜和載荷譜，分別計算在兩種載荷作用下，內(nèi)外軸承的受力，并加權(quán)，再計算內(nèi)外軸承的當(dāng)量動負荷和使用壽命

按軸承的當(dāng)量動負荷計算公式Pr=XFr+YFa，得：

行駛壽命L=（Cr/Pr）^（10/3）×10^6×2×3.14×r

結(jié)論：當(dāng)前軸承載為標(biāo)定負荷2000Kg時，輪轂內(nèi)外軸承計算壽命均滿足汽車前軸大修里程（30萬Km）要求;但當(dāng)超載到3000Kg時，均達不到大修里程要求。車輛在服役過程中，前軸各子件將不同程度地出現(xiàn)疲勞失效，零部件可靠性降低。

3 ? ?前軸承載系統(tǒng)建模及有限元剛度分析

對前軸、轉(zhuǎn)向節(jié)、主銷進行整體建模，以左右轉(zhuǎn)向節(jié)軸頸處相應(yīng)位置為支承點，對兩板托面進行加載，載荷分別按2000Kg，3000Kg，建立力學(xué)模型，并進行ANSYSE有限元分析。圖五是兩種加載條件下前軸系統(tǒng)有限元計算的剛度值：

該前軸輪距為1610mm，若等效采用后橋剛度判定準(zhǔn)則（QC/T534-1999，每米輪距不超過1.5mm）進行判定，則該前軸超載到3000Kg時，變形量是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最大變形量的2.2倍。這種過量的變形，對前軸的承載系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、輪轂軸承系統(tǒng)將帶來嚴(yán)重的損害，各子系統(tǒng)工作環(huán)境惡化，零部件使用壽命將大大降低。

4 ? ?軸承型式試驗及判定結(jié)論

為驗證輪轂外軸承的疲勞壽命，隨機抽取同一批次該軸承（型號32309，數(shù)量8套）送到國家軸承質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（洛陽）進行試驗，按GB/T6391-2010《滾動軸承 額定動載荷和額定壽命》， GB/T24607-2009《滾動軸承 壽命可靠性試驗及評定方法》進行檢驗和判定，試驗加載條件如下：

額定動載荷Cr =59KN，

當(dāng)量動載荷/額定動載荷（P/C）=0.393

軸向載荷=13950N ?試驗轉(zhuǎn)速=1500r/min

基本額定壽命：160h

其試驗結(jié)論為：2套軸承達到320h，其余6套為68-195.5h不等，按Webull分布進行數(shù)據(jù)處理，其可靠度僅為50.5%，判定為所送樣品不合格。圖六為疲勞試驗的結(jié)論。

圖七為疲勞試驗樣件的照片，滾動軸承的滾動體及內(nèi)圈外表面均已不同程度的出現(xiàn)疲勞點蝕和剝落，其損壞的表現(xiàn)形式與本文中圖三市場返回舊件的表現(xiàn)形式基本一致，同為疲勞點蝕，故障模式得以再現(xiàn)。

5 ? ?結(jié)論

1）車輛超載，造成前軸系統(tǒng)及輪轂軸承過載;

2）輪轂外軸承質(zhì)量指標(biāo)達不到國家標(biāo)準(zhǔn)要求;

3）對于采用電機直驅(qū)的純電動輕卡，考慮到整車起步、倒車時工況的特殊性，以及可能存在電腐蝕造成軸承異常磨損等情況的發(fā)生，在前軸及輪轂軸承選型設(shè)計時，可適當(dāng)加大前軸的承載能力（筆者建議按超過標(biāo)定負荷20%-30%匹配），并選擇高一級別精度等級的軸承，以提升車輛的可靠性。

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