汽車交流發電機軸承早期失效原因探討

王佩劍 陸曉亮

摘要：隨著人們對出行品質的要求越來越高，各式各樣的用電設備都被安裝在汽車上，無形之中增加了汽車耗電量。而汽車交流發電機作為汽車的電力來源，其重要性不言而喻。而軸承作為發電機的關鍵部件，由于在實際運行時存在各種極端工況，導致汽車交流發電機的軸承失效。本文通過分析軸承早期失效原因，能夠對汽車交流發電機軸承未來制造設計帶來相應的指導作用。

關鍵詞：汽車交流發電機;軸承失效;原因分析

0? 引言

伴隨著中國汽車業的發展，汽車保有量逐年增加，相應的對環境的影響也越來越大，為了響應國家節能減排號召，降低燃油消耗，提高行駛效率，汽車企業對發動機以及汽車整體性能不斷進行技術創新。與此同時，不同的電子設備被安裝在汽車上，用以改善汽車駕駛以及乘車舒適度。因此對提供整車電力的交流發電機就提出了更高的要求，具體則落實在了發電機基礎零部件的壽命以及可靠性上。汽車交流發電機的關鍵零件軸承需要進行長時間的工作，因此其壽命直接影響著發電機的維修次數。在汽車交流發電機運行過程中，為了獲得較高的輸出功率，發電機經常采用高速化的處理方式，使得軸承長時間處于高速工作狀態下，除此之外軸承的工作狀態還有重載、變速、高溫等極端條件，導致發電機軸承產生早期失效的現象。針對這種現象，本文將針對某一型號的汽車交流發電機進行具體分析。

1? 軸承失效具體形式

選取某一型號的汽車交流發電機，其前端的軸承有一定概率在剛開始使用時就會出現異常，經過仔細的研究，發現這些軸承的失效情況基本類似，因此本文針對代表性比較明顯的一例進行研究。將發電機端蓋以及軸承進行拆卸，進行相關檢測后，軸承內外徑尺寸以及徑向游隙均符合管理規格，但軸承振動值明顯超標，并且在進行振動檢測時，能夠明顯感覺軸承外圈有缺陷，因此需要打開軸承，以便對缺陷進行更深入的分析。

將軸承的密封圈拆卸完成后，發現軸承的保持架和滾珠完好，潤滑脂潤滑效果正常。之后將滾珠拆下，仔細觀察軸承滾軸、保持架以及內外圈的滾道。發現軸承內圈滾道兩側正常，但底部有明顯磨損痕跡，顏色為黃褐色;外圈滾道兩側和非承載區顏色正常，但在承載區的底部有明顯的磨損痕跡，顏色為黃褐色，范圍約為整個外圈圓弧的四分之一。在軸承外圈的承載區，有一個凹凸不平的剝落面，放大觀察剝落面呈沙灘狀。在對軸承進行拆卸前，對軸承相應地方進行標記，拆卸完成后同原來標記位置比照，發現滾道出現剝落的位置并不是軸承承載最大的區域，而是在滾軸進入承載區時楔入點的位置，因此需要進一步分析產生這種失效情況的原因。

2? 排查失效原因

對軸承外圈進行仔細觀察，發現在滾道處有一處剝落，導致這種情況出現的影響因素有很多種，比如潤滑脂出現問題、套圈硬度不合格、夾雜非金屬雜物以及一些用掃描電鏡才能發現的微觀問題等。由于無法確定具體影響因素，因此使用排除法逐個分析，確定失效原因。

2.1 潤滑脂檢測

對軸承內的潤滑脂進行檢查，發現潤滑脂使用狀態良好，維持完整的油膏狀。軸承密封圈內側潤滑脂表層顏色稍微加深，但潤滑脂表層下顏色正常。進一步檢測后，含水率和注脂量滿足標準要求，同時紅外光譜檢測沒有發現有劣化的跡象。檢測表明軸承潤滑脂沒有問題。

2.2 套圈硬度檢測

參照國標GB/T 34891-2017，對軸承外圈硬度進行檢測，使用HR-150A的洛氏硬度計，經檢測，軸承外圈硬度滿足要求，表明軸承外圈硬度不是導致失效的原因。

2.3 非金屬夾雜物檢測

對軸承外圈滾道的剝落處采用線切割的方式進行縱向取樣，利用蔡司顯微鏡分析樣本的金相組織以及元素成分，經電鏡掃描檢測，失效部分各元素成分正常，未夾雜非金屬元素。根據國標GB/T 18254-2016，對軸承外圈滾道剝落處的非金屬夾雜物等級進行檢測，結果滿足標準要求。

2.4 顯微組織檢查

沿軸承外圈滾道剝落處的外圈進行縱向取樣，將樣品拋光，之后采用2%的硝酸酒精進行腐蝕處理。參照國標GB/T 34891-2017，檢測樣品的基體淬回火組織，經電鏡觀察，發現組織為碳化物顆粒、馬氏體以及殘留奧氏體的結合體，組織體正常。但觀察樣品剝落處的外貌，發現有裂紋存在，呈軸向分布，近似平行滾道表面，裂紋由內向外擴散并且周圍無夾雜物及脫碳情況的出現。但裂紋周圍有白色針狀組織，白色組織附近無非金屬夾雜物，存在較多細小裂紋并且白色組織走向同最大切應力相同，整個剝落區的形貌呈現穿晶斷裂狀。

3? 白色組織成分分析

由于汽車輔機軸承，尤其是交流發電機軸承的使用條件越來越惡劣，軸承采用常規材料制造完成后進行常規熱處理，導致軸承出現疲勞剝落的時間明顯提前，大大降低了軸承使用壽命。雖然剝落發生在次表面，但剝落前的組織發生了明顯變換。產生剝落的具體機理研究較多，但沒有統一的結論。較為公認的機理如下，由于滾動體和滾道之間的相對滑動，導致油膜破裂進而在金屬表面生成新生面。伴隨著新生面的催化使得潤滑劑被分解，產生氫。由于靜電作用，產生的氫溶入鋼中，產生氫脆現象，導致軸承滾道表面出現剝落。通常氫溶入鋼中有三個過程，氫產生、氫移動、氫的吸附和擴散。

①氫產生：軸承潤滑脂中基礎油的種類不同，部分基礎油容易分解;潤滑脂在使用時摻雜了水分，由于工作過程中升溫導致分解，產生氫。

②氫移動：皮帶輪和多楔帶之間由于摩擦會產生靜電，氫離子在靜電作用下移動到軸承套圈的滾道表面。

③氫的吸附和擴散：發電機軸承在工作狀態下，由于振動以及速度的急劇變化，導致鋼球在滾道表面容易滑動，而潤滑的油膜強度不夠，受鋼球滑動影響，導致油膜破裂。金屬表面缺少油膜覆蓋而暴露在空氣中，產生新生面，而由于靜電的吸附作用，金屬表面會將分解出來的氫進行吸附，并溶于金屬中在內部擴散，導致脆氫現象的產生，使得軸承外圈滾道表面出現白色組織剝落。

4? 分析失效原因

某型號汽車交流發電機在運行初期發現前端軸承存在異常噪音，將軸承拆卸后發現軸承外圈滾道存在一處疲勞剝落，位置處于軸承外圈滾道滾珠進入承載區的楔入點，同時軸承外圈滾道承載區底部以及內圈的滾道底部存在明顯的磨損帶。通過對軸承多項指標進行細致檢查，將軸承套圈材料問題以及熱處理方面的問題排除，確定的軸承外圈滾道剝落為次表面起源型疲勞剝落。在對軸承各項指標進行檢測的過程中，發現三個異常特征：①軸承外圈滾道的剝落位置不是位于最高接觸應力點，而是在滾珠進入軸承外圈滾道承載區時的楔入點;②軸承潤滑脂紅外光譜現實正常，整體顏色正常，但部分潤滑脂表層顏色有所加深;③軸承外圈滾道的剝落區裂紋附近存在白色針狀組織，并且分布呈一定規律。

汽車發電機的極端工況除了之前提到的，還存在皮帶驅動軸承內圈旋轉和軸承外圈滾道固定局部承載的情況。皮帶傳動屬于非剛性傳動，存在打滑的可能，從而引起軸承滾珠發生打滑;軸承外圈滾道局部承載并且位置不變，由此會引發兩個問題：①固定的承載區會一直承受較高的接觸應力;②軸承滾珠在接觸區工作時，由于經常的加速和減速會引發滾珠打滑。為了降低皮帶打滑的概率，需要增加皮帶的張緊力，增加的張緊力會通過杠桿效應反映到軸承的接觸載荷上，間接的使軸承外圈滾道承載區變窄，導致接觸應力升高，進一步加劇了軸承滾珠打滑的問題。所以，汽車交流發電機軸承接觸應力高是必然的，軸承滾珠打滑無法避免，而且汽車發電機功率越高，輪系張緊力的匹配度就越低，從而使滾珠打滑越嚴重。

軸承滾珠打滑產生的新生面活性以及局部的高溫，對接觸區的摩擦化學反映具有催化作用，能夠將大部分的潤滑脂裂解，導致接觸區的潤滑效果惡劣，潤滑油膜厚度不夠甚至發生破裂，同時還會產生氫離子并溶入接觸面下。

綜上所述，軸承外圈滾道出現疲勞剝落主要是由兩方面因素共同作用導致的，分別是軸承滾珠的打滑，軸承外圈滾道局部上時間承受較高的循環接觸應力，在剝落區出現白色針狀組織，屬于軸承的早期失效剝落。同時軸承外圈滾道剝落區的位于外圈滾道承載區滾珠的楔入點。

5? 總結

由于汽車交流發電機在運行時需要應對各種不同的極端工況，導致發電機主軸的前軸承出現新的失效問題，使得軸承外圈出現剝落現象，遠遠低于軸承外圈的設計壽命，影響軸承的持續使用。通過本文的分析，發現了產生這種早期失效原因，對今后延長軸承壽命，指導汽車交流發電機的組裝以及其軸承的工藝改進具有重要作用。

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