一種輪轂齒輪箱行星輪軸承失效分析

劉紅國， 吳海龍， 鄭顯良

(中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司， 江蘇常州 213011)

0 引言

在傳動機械中，軸承是應用最為廣泛的基礎件之一[1]。文中涉及的輪轂齒輪箱采用兩級行星傳動，主要作用是將電機輸出的轉速、扭矩進行轉化后輸出至輪轂，驅動車輛運行。在整個驅動系統中起到關鍵作用。該型輪轂傳動齒輪箱中軸承采用國產知名廠家產品。在進行疲勞試驗的過程中，發現齒輪箱溫升、傳動效率異常，拆解后發現二級行星輪軸承失效，本文作者針對試驗過程中軸承失效進行了分析，并提出改進方案。

1 試驗過程

齒輪箱的疲勞試驗按照QC/T 1022—2015《純電動乘用車用減速器總成技術條件》中疲勞試驗要求改進后進行試驗，輸入扭矩按照最大輸入扭矩的1.25倍進行加速試驗。齒輪箱首先進行2 h磨合并更換潤滑油，在疲勞試驗進行到試驗要求時長的90%時，齒輪箱的傳動效率、溫升和振動均出現問題，傳動效率由97%降低至92%，溫升時間急劇縮短如圖1所示，箱體的振動值由5.1 m/s2左右增加至7.3 m/s2左右并且振動值變化范圍變大如圖2所示。更換潤滑油后問題仍然存在，遂進行拆解檢查。

圖1 試驗溫升情況

圖2 箱體振動情況

2 拆解檢查

拆解后發現，二級行星輪四組軸承出現不同程度的損壞，其他零部件未發現有異常狀況。四組軸承的內圈、外圈、保持架外觀形貌示意如圖3所示。

圖3 二級行星輪軸承拆解全貌

從圖中可以看出：

(1)第一、二組軸承的內圈滾道出現嚴重的剝落坑、碾壓、發黑等損傷，剝落坑深度在0.5～1 mm之間，內圈一周大概有45%出現上述情況，已經完全失效，說明軸承工作過程中受到燒傷和壓力大于軸承內圈承受的極限載荷，軸承內圈出現偏載；

(2)軸承滾子一側邊緣出現破損，保持架出現輕微的磨損、翻邊，說明滾子與內圈擋邊有相對的摩擦，滾子軸承承受較大的軸向載荷；

(3)第一組軸承其中一個軸承內圈斷裂，裂縫寬度為0.1～0.2 mm，是由于內圈磨損量大，導致內圈厚度變薄，內圈脹破；

(4)軸承外圈有燒傷以及摩擦痕跡，說明軸承外圈與行星輪內孔出現相對蠕動；

(5)同組的兩個軸承進行對比，內側軸承受損情況均比外側軸承嚴重；

(6)四組軸承對比：三、四組軸承的磨損情況遠好于一、二組軸承。

通過硬度儀對軸承內外圈及滾子磨損較小部位進行硬度檢測，檢測結果見表1，由表1可看出軸承硬度符合JB/T 1255—2014《滾動軸承高碳鉻軸承鋼零件熱處理技術條件》的要求；通過對軸承材料進行光譜分析檢測，分析結果見表2，由表2可看出材料的化學成分符合GB/T 18254—2016《高碳鉻軸承鋼》要求；同時對軸承金相組織進行檢查，檢查結果顯示材料的金相組織符合JB/T 1255—2014《滾動軸承高碳鉻軸承鋼零件熱處理技術條件》的要求。

表1 軸承零件硬度值 HRC

表2 軸承材料化學成分 %

3 軸承失效分析

(1)通過對軸承的理化分析得出軸承的材料和熱處理均符合相關標準[2]，不存在缺陷；

(2)一、二組軸承損壞程度遠大于三、四組軸承，其中三、四組軸承更靠近油池，說明軸承失效的主要誘因是潤滑不足造成的；

(3)同組兩軸承對比，內側軸承損壞更嚴重，結合行星輪齒面磨損情況，說明行星輪在運行過程中齒輪嚙合中心不在齒輪的幾何中心，導致軸承受力偏載嚴重[3]；

(4)單個軸承內圈一周有45%受損嚴重，其余部分磨損較小，并且軸承內圈與軸承負荷方向恒定，軸承內圈單側受載嚴重；

(5)一、二組軸承內圈滾道存在剝落、燒傷痕跡，主要是潤滑油不足，軸承內圈與滾子干磨，流動潤滑油少，散熱差，造成局部溫度上升，軸承工作面出現燒傷，導致表面材質硬度降低，表面壓潰，產生裂紋，出現內圈表面剝落，最終失效[4]；

(6)軸承滾子靠內圈擋邊側出現破損，并且保持架有翻邊和磨損的痕跡，說明滾子軸承承受較大的軸向載荷，因軸承溫升造成材質硬度降低從而出現碎裂失效。

4 改進方案

從分析中可以看出，軸承失效的主要誘因是潤滑不足，軸承負荷大于軸承的承載力，并且軸承出現偏載以及較大的軸向力造成的。其改造方案為：

(1)更改潤滑方案，針對二級行星輪系中一、二組行星輪的油浴潤滑改為強迫潤滑，即增加潤滑泵，將潤滑油導入至一、二組行星銷孔，從兩行星軸承之間縫隙流出，對一、二組軸承進行主動潤滑，并將潤滑油黏度等級提高一級，增加油膜對軸承的附著力，減少軸承零件的干摩擦；

(2)將圓柱滾子軸承改為調心滾子軸承，增加軸承的徑向和軸向承載能力，并且行星輪在嚙合過程中可以自行角度的偏轉，自動調整齒輪嚙合時的角度；

(3)重新對行星輪齒向修形進行優化，使行星輪的嚙合中心與幾何中心重合；

(4)更改軸承內圈與銷軸的配合公差，內圈在運行過程中與軸承負荷有相對運動，更改軸承外圈與行星輪內孔配合，外圈與行星輪相對靜止，防止蠕動。

5 結束語

行星傳動系統的結構緊湊，因此齒輪箱的潤滑與散熱是一個重點考慮的方向；在理論計算過程中行星輪雖然沒有承受軸向力，但由于制造、安裝誤差造成運行過程的軸向力也是要考慮的重點；對于薄壁行星輪，應當適當增加軸承外圈與行星輪內孔的配合過盈量，防止軸承外圈打滑磨損；在行星傳動中，行星輪在徑向方向有一定的自由度，讓其自適應與太陽輪和內齒圈的嚙合，避免產生偏載力和個別行星輪承受較大的載荷。