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

東風汽車有限公司東風日產(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 化學成分檢測

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

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JB/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，符合標準要求。

3 原因分析

失效軸承內(nèi)圈的化學成分、金相組織以及硬度測試結(jié)果符合相關(guān)標準要求，排除因軸承制造偏差導致的剝落失效。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。