淺析汽車變速器滾針軸承燒蝕原因及預防措施

摘要：為確定某變速器滾針軸承燒蝕導致傳動齒輪抱死的原因，文章從對變速器零件尺寸、清潔度、材質、壓裝工藝等調查及尺寸鏈校核等方面進行分析，并制作樣件在臺架上模擬故障再現試驗，從而推斷導致軸承燒蝕的原因，并根據軸承燒蝕原因制定了相應的解決方案。

關鍵詞：汽車變速器；滾針軸承；燒蝕原因；徑向間隙；汽車產業 文獻標識碼：A

中圖分類號：TH133 文章編號：1009-2374（2017）07-0097-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.07.045

隨著汽車產業的飛速發展，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，還有一些會影響到行車安全，可能導致交通事故的發生，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造成車輛驅動輪抱死，導致車輛甩尾或失控，屬于變速器最危險的失效模式之一。軸承燒蝕的原因很多，包括間隙配合、強度設計、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行分析研究，以期對軸承燒蝕及其他傳動類零件燒蝕失效分析提供參考。

1 問題描述

某后輪驅動車型在車輛行駛過程中，發生驅動輪抱死導致無法行駛，經對變速器拆解，發現一檔從動齒輪處滾針軸承燒蝕、損壞（見圖1），導致一檔齒輪與襯套之間卡死。根據滾針軸承、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動，如果滾針軸承燒蝕、損壞會導致齒輪與襯套之間無法正常相對運轉，從而導致變速箱內部運動干涉、卡死，無法正常輸出動力。

2 故障原因分析

2.1 滾針軸承燒蝕機理分析

為保證齒輪能夠相對襯套正常運轉，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，會導致滾針軸承與齒輪及襯套之間運轉不暢，異常磨損發熱，同時發熱產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，引起運動干涉，加劇軸承異常磨損，最終導致燒蝕、卡死。

2.2 零件檢測分析

根據滾針軸承的裝配位置關系，影響其徑向間隙的關鍵尺寸有輸出軸直徑、襯套內徑、襯套外徑、軸承滾針直徑、齒輪內徑。其中輸出軸直徑偏大或襯套內徑偏小，都會導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、齒輪內徑偏小均會直接導致軸承配合間隙過小。通過對故障變速箱拆檢，發現齒輪內孔異常磨損，軸承滾針燒蝕、嚴重變形，經對相關零件關鍵尺寸進行檢測（見表1），襯套內徑存在超下差情況，部分尺寸因零件損壞、磨損無法檢測。

2.3 材質檢測

襯套材質采用GCr15，根據《高碳鉻軸承鋼》（GB/T 18254-2002）標準，對襯套故障件材質進行檢測，結果如表2所示。化學成分檢測結果均滿足標準要求。

2.4 潤滑及異物因素分析

對故障變速器內部進行檢查，油道無堵塞，變速器齒輪油油量及油品未發現異常。該變速器各檔位齒輪共采用六個滾針軸承，如清潔度或油品問題，不會集中造成某一檔位滾針軸承燒蝕，其他檔位也會存在同類問題。根據上述分析判斷，基本排除因潤滑不良及異物侵入導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、襯套間隙進行極限尺寸計算校核（見表3），從計算結果看，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。

根據理論計算，極限尺寸下滾針軸承存在合理間隙可以正常運轉，但在實際中襯套與輸出軸因過盈配合壓裝后會造成襯套外徑膨脹或變形，因此軸承間隙會相應減小，為確認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行壓裝驗證（見表4），從驗證結果看，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，此時當滾針軸承與齒輪、襯套間隙處于下偏差時，因襯套外徑漲大量大于滾針軸承與齒輪、襯套間隙，導致滾針軸承間隙過小引起運轉卡滯。

2.6 故障模式再現試驗

模擬零件尺寸超差或各零件關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，模擬整車載荷進行臺架試驗，觀察滾針軸承運動狀況及失效磨損。試驗結果如表5所示：

通過故障模式再現試驗可以看出，當滾針軸承與齒輪及襯套之間存在間隙時正常運轉1小時未發現異常；由于零件尺寸超差或各相關零件均處于極限尺寸時，經壓裝和裝配后滾針軸承與齒輪及襯套之間已沒有間隙，運轉干涉，短時間內出現滾針軸承燒蝕現象，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驗證得出：（1）造成滾針軸承燒蝕的原因較多，如軸承內侵入硬質異物、潤滑油道堵塞或潤滑油變質導致潤滑不良、零件材質不合格、軸承與齒輪之間運動間隙過小等因素均可能導致滾針軸承運轉不暢而出現燒蝕、損壞現象發生。根據對故障件的拆檢分析，初步排除異物、潤滑、材質等因素，判斷是由于滾針軸承間隙過小導致；（2）該變速器結構為通過壓裝方式使襯套內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，如軸承滾針本身直徑、輸出軸直徑、襯套內徑、襯套外徑、齒輪孔徑等關鍵尺寸，還與零件之間的壓裝工藝、裝配工藝等有關，零件關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，無過程壓裝力報警裝置，且壓裝力上限值偏大，達到20kN，正常情況襯套壓入力一般不大于8kN，當出現襯套與輸出軸過盈量偏大時，壓裝設備通過上限壓力將襯套強制壓入輸出軸上，從而導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）各零件尺寸公差設計不夠合理，因輸出軸與襯套通過壓裝過盈配合，在設計滾針軸承與齒輪、襯套間隙時，未考慮到襯套壓裝后外徑的膨脹量會造成理論間隙的減小，當各零件分別處于極限尺寸時，存在滾針軸承間隙被完全抵消甚至出現負間隙的情況。

4 問題解決

4.1 解決方案

（1）對襯套壓裝設備進行改造，將壓裝上限壓力由原來的20kN更改為8kN，并增加過程壓力報警裝置，當過盈量過大時，壓裝力達到8kN時設備自動報警；（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增大滾針軸承徑向間隙；（3）加強對零件尺寸的控制，對關鍵尺寸進行100%檢測確認，防止不合格品流入后續工序。

4.2 方案驗證

上述解決方案實施后，隨機抽取5套零件進行檢測、計算，相關結果如下：

結論：（1）通過加強控制零件關鍵尺寸，優化壓裝工藝，同時對零件的尺寸公差進行優化，襯套壓裝后的外徑膨脹量明顯減小且穩定；（2）通過選配軸承滾針直徑，進一步放大軸承配合間隙，確保滾針軸承間隙穩定在合理范圍內，且零件質量一致性明顯改善。

5 結語

本文通過對滾針軸承潤滑、異物侵入、零件質量調查、尺寸鏈設計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，從而制定相應解決方案，防止滾針軸承燒蝕故障再次發生，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、裝配工藝等方面應盡可能避免上述因素造成的零件燒蝕失效。

參考文獻

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

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作者簡介：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：汽車研發及質量管理。

（責任編輯：蔣建華）