電動(dòng)輕卡前輪轂軸承失效分析

談智輝 張傳業(yè) 李曉輝

摘 ?要：輪轂軸承是汽車前后橋上重要的零件之一，它通過傳遞載荷和本身的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)汽車的正常行駛。某汽車行駛到2-3萬公里左右時(shí)，多輛車出現(xiàn)前軸輪轂軸承異響、松曠的不良反饋。通過對(duì)故障車輛的相關(guān)零部件進(jìn)行失效分析，發(fā)現(xiàn)故障是輪轂軸承出現(xiàn)疲勞失效引起，又經(jīng)過對(duì)輪轂軸承分別在標(biāo)載和超載狀態(tài)下行駛壽命計(jì)算，前軸系統(tǒng)剛度有限元分析，以及軸承關(guān)鍵項(xiàng)目的型式試驗(yàn)鑒定，確定失效一是前軸及輪轂軸承過載，二是輪轂軸承本身質(zhì)量不合格造成。

關(guān)鍵詞：輪轂軸承;疲勞壽命;過載;軸承質(zhì)量

中圖分類號(hào)：U467 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2021）03-0065-04

Failure Analysis Of Front Hub Bearing Of Electric Light Truck

TAN Zhi-hui， ZHANG Chuan-yie， LI Xiao-hui

（Hunan automobile axle Engineering Technology Research Center， Changde 415400， China）

Abstract： The wheel hub is one of the important parts on the front and rear axles of the truck .It transmits the load and its own rotary motion to achieve the normal driving of the truck. When a truck travels 20，000 to 30，000 kilometers，multiple truck experience unusual noise and loose feedback from the front axle hub .throungh the failure analysis of the related parts of the faulty vehicle，it was found that the failure was cused by fatigue failure of the wheel bearing.after a finite element analysis of the stiffness of the front axle system，thewheel hub axle was calculated for driving life under standard and overload conditions，and the test of the key project confirmed that the failure was csused by overload of the front axle and hub bearings，and the failure of the hub bearings itself.

Key Words： Hub Bearing; Fatigue Life; Overload; Bearing Quality

談智輝

畢業(yè)于太原機(jī)械學(xué)院車輛工程專業(yè)，本科學(xué)歷，現(xiàn)就職于湖南省汽車車橋工程技術(shù)研究中心，任車橋研究所主任工程師，主要負(fù)責(zé)汽車車橋研發(fā)與設(shè)計(jì)，已發(fā)表論文兩篇。

引 ?言

汽車前軸輪端，結(jié)構(gòu)上一般采用在輪轂腔內(nèi)設(shè)計(jì)一對(duì)相對(duì)布置的圓錐滾子軸承，通過端部鎖緊螺母調(diào)整軸承游隙。為防止軸承潤(rùn)滑油脂泄漏，內(nèi)軸承外端設(shè)計(jì)有密封元件，見圖一。

輪端的作用是將前軸的載荷傳遞到車輪，同時(shí)自身作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以保證車輛正常行駛。

某純電動(dòng)輕卡在行駛里程為2-3萬公里左右時(shí)，多輛車不同程度地出現(xiàn)前軸輪端異響，松曠、嚴(yán)重時(shí)甚至出現(xiàn)前輪甩脫的失效故障。

1 ? ?故障件失效模式分析

圖二和圖三分別為失效零件故障照片。圖二中，轉(zhuǎn)向節(jié)軸頸與軸承內(nèi)圈是過渡配合，圖中能清晰地觀察到表面已高溫變色，屬軸承內(nèi)圈與軸頸產(chǎn)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)，在前軸載荷的作用下，表面摩擦高溫所致。圖三中，外軸承內(nèi)圈及滾動(dòng)體表面也已高溫變色并出現(xiàn)表面剝落、局部麻坑，表明滾動(dòng)體表面接觸應(yīng)力偏大，已出現(xiàn)不同程度的疲勞點(diǎn)蝕。

通過市場(chǎng)調(diào)查，該批純電動(dòng)輕卡前軸實(shí)際使用負(fù)荷已達(dá)3000Kg左右，已明顯超出理論設(shè)計(jì)負(fù)荷（2000Kg），超載達(dá)50%左右。過量的超載將使得前軸輪端工作環(huán)境惡化，軸承出現(xiàn)異常磨損和疲勞點(diǎn)蝕。

軸承滾動(dòng)體出現(xiàn)疲勞點(diǎn)蝕，也可能與軸承本身的質(zhì)量指標(biāo)達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求有關(guān)。

另處，由于純電動(dòng)輕卡屬電機(jī)直驅(qū)，電機(jī)在車輛起步階段的恒扭矩輸出特性，與燃油發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出特性相比，前軸系統(tǒng)承受的瞬時(shí)沖擊明顯加劇，也會(huì)造成輪端軸承出現(xiàn)異常磨損和疲勞點(diǎn)蝕，使得軸承壽命急速下降。

2 ? ?輪轂內(nèi)、外軸承壽命計(jì)算

1）電動(dòng)輕卡及相關(guān)零部件基本參數(shù)如下：

軸距L=3360mm ? Tr輪距=1610 mm ? r車輪滾動(dòng)半徑=345 mm

w1前軸軸荷（標(biāo)載）=2000Kg ? W2前軸軸荷（超載）=3000Kg

內(nèi)軸承32309 ? ?Y=1.5 ? ? ?e=0.4 ? ? ? ?Cr=80.8KN

外軸承32306 ? ?Y=1.9 ? ? ?e=0.31 ? ? ?Cr=59KN

2）考慮電動(dòng)輕卡的實(shí)際服役情況，其路面譜、載荷譜設(shè)定如下：

路面譜分布：

載荷譜分布：

3）輪端軸承力學(xué)模型建立：

結(jié)構(gòu)模型和力學(xué)模型見圖四，其中：N：?jiǎn)蝹€(gè)輪胎的負(fù)荷 N=W/2 ?S1、S2：輪轂外、內(nèi)軸承支承反力。

4）壽命計(jì)算：

根據(jù)路面譜和載荷譜，分別計(jì)算在兩種載荷作用下，內(nèi)外軸承的受力，并加權(quán)，再計(jì)算內(nèi)外軸承的當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷和使用壽命

按軸承的當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷計(jì)算公式Pr=XFr+YFa，得：

行駛壽命L=（Cr/Pr）^（10/3）×10^6×2×3.14×r

結(jié)論：當(dāng)前軸承載為標(biāo)定負(fù)荷2000Kg時(shí)，輪轂內(nèi)外軸承計(jì)算壽命均滿足汽車前軸大修里程（30萬Km）要求;但當(dāng)超載到3000Kg時(shí)，均達(dá)不到大修里程要求。車輛在服役過程中，前軸各子件將不同程度地出現(xiàn)疲勞失效，零部件可靠性降低。

3 ? ?前軸承載系統(tǒng)建模及有限元?jiǎng)偠确治?/p>

對(duì)前軸、轉(zhuǎn)向節(jié)、主銷進(jìn)行整體建模，以左右轉(zhuǎn)向節(jié)軸頸處相應(yīng)位置為支承點(diǎn)，對(duì)兩板托面進(jìn)行加載，載荷分別按2000Kg，3000Kg，建立力學(xué)模型，并進(jìn)行ANSYSE有限元分析。圖五是兩種加載條件下前軸系統(tǒng)有限元計(jì)算的剛度值：

該前軸輪距為1610mm，若等效采用后橋剛度判定準(zhǔn)則（QC/T534-1999，每米輪距不超過1.5mm）進(jìn)行判定，則該前軸超載到3000Kg時(shí)，變形量是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最大變形量的2.2倍。這種過量的變形，對(duì)前軸的承載系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、輪轂軸承系統(tǒng)將帶來嚴(yán)重的損害，各子系統(tǒng)工作環(huán)境惡化，零部件使用壽命將大大降低。

4 ? ?軸承型式試驗(yàn)及判定結(jié)論

為驗(yàn)證輪轂外軸承的疲勞壽命，隨機(jī)抽取同一批次該軸承（型號(hào)32309，數(shù)量8套）送到國(guó)家軸承質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（洛陽）進(jìn)行試驗(yàn)，按GB/T6391-2010《滾動(dòng)軸承 額定動(dòng)載荷和額定壽命》， GB/T24607-2009《滾動(dòng)軸承 壽命可靠性試驗(yàn)及評(píng)定方法》進(jìn)行檢驗(yàn)和判定，試驗(yàn)加載條件如下：

額定動(dòng)載荷Cr =59KN，

當(dāng)量動(dòng)載荷/額定動(dòng)載荷（P/C）=0.393

軸向載荷=13950N ?試驗(yàn)轉(zhuǎn)速=1500r/min

基本額定壽命：160h

其試驗(yàn)結(jié)論為：2套軸承達(dá)到320h，其余6套為68-195.5h不等，按Webull分布進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，其可靠度僅為50.5%，判定為所送樣品不合格。圖六為疲勞試驗(yàn)的結(jié)論。

圖七為疲勞試驗(yàn)樣件的照片，滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)體及內(nèi)圈外表面均已不同程度的出現(xiàn)疲勞點(diǎn)蝕和剝落，其損壞的表現(xiàn)形式與本文中圖三市場(chǎng)返回舊件的表現(xiàn)形式基本一致，同為疲勞點(diǎn)蝕，故障模式得以再現(xiàn)。

5 ? ?結(jié)論

1）車輛超載，造成前軸系統(tǒng)及輪轂軸承過載;

2）輪轂外軸承質(zhì)量指標(biāo)達(dá)不到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求;

3）對(duì)于采用電機(jī)直驅(qū)的純電動(dòng)輕卡，考慮到整車起步、倒車時(shí)工況的特殊性，以及可能存在電腐蝕造成軸承異常磨損等情況的發(fā)生，在前軸及輪轂軸承選型設(shè)計(jì)時(shí)，可適當(dāng)加大前軸的承載能力（筆者建議按超過標(biāo)定負(fù)荷20%-30%匹配），并選擇高一級(jí)別精度等級(jí)的軸承，以提升車輛的可靠性。

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