某DCT雙離合變速器短圓柱滾子軸承高扭耐久失效分析

劉亮　吳宇

摘 要：現(xiàn)有DCT雙離合變速器平臺成熟布置設(shè)計，在輸出軸上一端通過深溝球軸承進(jìn)行軸向定位，另一端采用成本及布置空間更具有優(yōu)勢的無內(nèi)圈短圓柱滾子軸承，本文從某DCT雙離合變速器搭載新車型開發(fā)過程中，高扭耐久試驗多次出現(xiàn)短圓柱軸承外圈內(nèi)壁剝落問題，展開調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)短圓柱滾子的修形影響了軸承承載過程中的接觸應(yīng)力，通過調(diào)整滾子修形通過了試驗。

關(guān)鍵詞：雙離合變速器 短圓柱滾子軸承 滾道剝落 接觸應(yīng)力 滾子修形

1 前（引）言

近年來，全球乘用車開發(fā)高效且體積小的變速箱是當(dāng)前主要的趨勢。選用體積小軸承也是變速器研發(fā)重要課題，基于不同位置的載荷、安裝和拆卸的難易程度及潤滑方式選取合適的軸承。最適合變速器于汽車變速器的軸承類型有：深溝球軸承，圓柱滾子軸承，滾針軸承，推力軸承等[1]。如圖1所示，為成熟的雙離合變速器軸承布置方式：深溝球軸承用以輸入軸、輸出軸的軸向定位，同時也承受一定的徑向載荷；各擋位齒輪通過單列或雙列滾針軸承支撐在軸上；沖壓外圈短圓柱軸承在輸出軸的一端與深溝球軸承搭配，主要承受徑向載荷，由于不需要軸承內(nèi)圈，裝配簡易，可以讓輸出軸上軸承安裝位置處直徑加大[2]，提高變速器承扭能力。

2 試驗運(yùn)行工況介紹

本文所述為6DCT250干式雙離合器。按照設(shè)計開發(fā)要求，需要通過臺架高扭耐久試驗，電機(jī)為臺架控制動力源，完整試驗對應(yīng)滿足整車耐久里程24萬公里要求。設(shè)定該車型發(fā)動機(jī)最大扭矩230Nm為試驗載荷譜最大值。試驗進(jìn)行至約25%在5檔驅(qū)動工況時，變速箱殼體振動傳感器發(fā)現(xiàn)振動異常加大，基于經(jīng)驗判斷變速箱內(nèi)部已經(jīng)有零件損壞引起振動異常，需要拆箱分析。

3 軸承相關(guān)失效分析

拆解后該短圓柱軸承相關(guān)失效情況如圖2。

1）軸承外圈內(nèi)壁滾道剝落，深度約為0.66mm，如圖2（a）；

2）軸承外圈外壁微裂紋，如圖2（b）；

3）軸承滾子及輸出軸軸頸內(nèi)滾道點蝕，如圖2（c）；

4）殼體軸承座部分區(qū)域微動磨損，如圖2（d）。

3.1 軸承本體分析

3.1.1 各軸承子零件尺寸分析

通過對軸承各零件的基本尺寸測量確認(rèn)，保證無與設(shè)計偏差導(dǎo)致的失效問題。（表１）

失效軸承外圈金相分析見圖3，未發(fā)現(xiàn)異常。

針對發(fā)生剝落的軸承外圈進(jìn)行微觀電鏡掃描（SEM）分析剝落的起源，見圖4，未發(fā)現(xiàn)明顯的夾雜物。

3.1.2 軸承座受力分析

通過CAE對殼體軸承座進(jìn)行各受力擋位分析，確認(rèn)軸承所受徑向力圓周區(qū)域為圖示位置上半圓周，實際殼體發(fā)黑處亦為上半圓周，即產(chǎn)生微動磨損位置，仿真與實際相吻合。見圖5。理論原因是在變速箱運(yùn)行過程中由于該處為軸承及殼體軸承座主要受載發(fā)生微變形區(qū)域，油液進(jìn)入軸承與殼體之間，在一定油溫及動態(tài)受載過程中，微動產(chǎn)生，油發(fā)生氧化與殼體及軸承作用，留下黑色印跡，為正常現(xiàn)象。

上述內(nèi)容完成了對該失效軸承相關(guān)設(shè)計要求尺寸，零件材料金相的排查，確認(rèn)零件符合設(shè)計要求；但仍然無法找到失效軸承的根本原因，需要展開進(jìn)一步設(shè)計復(fù)審。

3.2 滾子的設(shè)計復(fù)核

3.2.1 理論分析

在對失效滾子的進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，在不同的失效軸承中，滾子邊緣區(qū)域，距一端約2mm位置，易出現(xiàn)明顯的局部集中受載導(dǎo)致的亮帶，而軸承外圈對應(yīng)位置則易出現(xiàn)剝落，如圖6所示，初步推斷軸承在該約2mm位置可能出現(xiàn)了不均勻的邊緣承載情況。滾子軸承的滾子和滾道是線接觸，受載工作時，滾子與外圈滾道均會發(fā)生微變形，滾子兩端呈現(xiàn)出復(fù)雜的變形狀態(tài)而產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中，也就是常說的滾子與滾道接觸‘邊緣效應(yīng)[3]。

對于此類無內(nèi)圈沖壓外圈圓柱滾子軸承，其出現(xiàn)滾子接觸邊緣承載的原因主要有三個關(guān)鍵因素：滾子凸度修形不足、較高徑向間隙、軸頸修形角度不足；見圖7。

對上述關(guān)鍵因素用ROMAX專業(yè)軸承設(shè)計軟件，進(jìn)行軸承接觸應(yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)在1檔工況下，滾子接觸應(yīng)力在一端約2mm處的確存在高點，與實際試驗結(jié)果吻合。通過分別調(diào)整三個關(guān)鍵因素DOE分析，確認(rèn)將滾子凸度修形加大15um至23um，能有效消除邊緣應(yīng)力高點，見圖8。

3.2.2 試驗驗證

選取圖紙設(shè)計公差要求范圍內(nèi)0.015mm-0.030mm，滾子修形分別靠上差及靠下差進(jìn)行試驗對比，試驗結(jié)果如表2s所示，靠下差即滾子修形凸度較小試驗A結(jié)果出現(xiàn)邊緣承載，接觸亮帶，而靠上差即滾子修形凸度較大試驗B則通過，滾子接觸痕跡良好。

結(jié)合軸承單品試驗，對滾子上各個距離段軸承滾子凸度設(shè)計值優(yōu)化修改如圖9，并再次完成了兩次100%變速器臺架高扭耐久試驗，滿足變速箱設(shè)計使用要求。

4 結(jié)語

本文通過按照變速箱企業(yè)一般軸承問題調(diào)查分析流程，對試驗過程中發(fā)生失效的沖壓外圈滾子軸承展開了詳細(xì)的尺寸、金屬金相組織等調(diào)查，首先排除了零件本身的質(zhì)量問題；而后基于軸承滾子即外圈出現(xiàn)的邊緣承載接觸跡象及其影響的關(guān)鍵三個因素：滾子凸度修形不足、較高徑向間隙、軸頸修形角度不足；通過Romax仿真設(shè)計等技術(shù)分析手段，找到了軸承滾子邊緣承載接觸應(yīng)力異常高點，并通過DOE方式，鎖定了增大軸承滾子的整體凸度修形，能夠讓滾子不出現(xiàn)異常接觸高點；最后此優(yōu)化設(shè)計通過了連續(xù)兩臺完整的變速箱高扭耐久試驗，支持了該DCT變速箱的順利開發(fā)。

參考文獻(xiàn)：

[1][德]Harald Naunheimer：《汽車變速器理論基礎(chǔ)、選擇、設(shè)計與應(yīng)用》，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013版。

[2]盧群瑤.沖壓外圈圓柱滾子軸承失效分析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2022，（10）：57-60.

[3]楊凡，趙俊，張龍周. 滾子輪廓修形對圓柱軸承接觸應(yīng)力及壽命的影響[J]. 機(jī)械工程師，2019，（03）：136-141.