某純電動汽車后橋軸承失效機理分析

張行峰

某純電動汽車后橋軸承失效機理分析

張行峰

（南京金龍客車制造有限公司，江蘇 南京 211215）

針對某純電動汽車后橋主減速器軸承使用過程中出現異響、旋轉卡滯及散架問題，通過對軸承失效機理進行研究，結合故障件外觀、關鍵尺寸、硬度及金相檢測，分析了某純電動汽車后橋軸承失效原因，為解決后橋軸承故障提供解決思路。

純電動汽車；后橋；軸承；失效機理；故障分析

引言

近年來隨著新能源汽車的快速發展，特別是純電動汽車的市場保有量及占有率逐年提升，純電動汽車在中國市場備受青睞，其重要性也日益凸顯[1]。

純電動汽車后橋主減速器是組成后橋的關鍵零部件，主要有兩個作用，一是可以為各個擋位提供一個相同的傳動比，二是改變動力傳輸的方向。主減速器中軸承的承載軸及齒輪的載荷，支撐部件的轉動，保證軸上部件轉動精度，軸承性能的優劣直接影響后橋運行的狀態。

針對售后反饋某批次后橋在使用一段時間后出現異響的情況，經拆解后發現Ⅱ軸軸承出現旋轉卡滯及散架現象，針對該問題，從售后市場返回后橋4套，拆卸下8套發生故障的深溝球軸承，開展后橋軸承失效機理分析。

1 滾動軸承常見失效機理

1.1 接觸疲勞

接觸疲勞通常發生于軸承工作面上，由于軸承滾動時其工作面受到交變載荷的作用，在軸承工作面上呈現顯微裂紋，然后拓展成小片狀剝落，當剝落由表面延伸向內延伸就行程深層剝落引起失效[2-3]。

1.2 磨損

磨損通常可分為磨粒磨損和粘著磨損。磨粒磨損是由于外界堅硬粒子侵入軸承，或者由于潤滑不夠充分，在軸承工作表面形成擦傷，隨著接觸面上材料被磨損的越來越多，磨損進入一個加速過程，最終導致軸承失效。

粘著磨損是由于當兩個運動表面接觸時會在摩擦表面生熱，有時還會出現回火及淬火現象，在這過程中會在接觸表面產生應力集中導致開裂或剝落[4]。

1.3 腐蝕

腐蝕是由于軸承滾動過程中與水或腐蝕性物質接觸時，軸承表面出現氧化，在接觸區域形成銹蝕，最終導致滾動軸承失效。

1.4 塑性變形

當軸承所承受的載荷或沖擊過大時，會在滾珠體及滾道接觸處發生塑性變形，裝配操作不當或預載荷過大時也會出現過載現象。

1.5 斷裂

當軸承外部所加載載荷超過材料本身的強度極限時將會產生裂紋，裂紋拓展到一定的程度即造成零部件一部分斷裂。

2 后橋軸承故障件檢測

2.1 某后橋系統結構及工作原理

某純電動汽車后橋主要由橋殼總成、軸承上蓋、從動齒輪、差速器、軸承、軸、防塵罩、主減速器殼體、法蘭盤等部件組成，如圖1所示。

某純電動汽車采用中置后驅的布置形式，驅動電機通過法蘭盤與主減速器連接，驅動力通過輸入軸、中間軸傳遞至差速器，帶動左右半軸從而實現汽車的前進及后退[5]。

1—軸承上蓋；2—從動齒輪；3—差速器組件；4—Ⅲ軸軸承；5—Ⅱ軸；6—Ⅱ軸軸承；7—Ⅰ軸軸承；8—Ⅰ軸；9—防塵罩；10—主減速器殼體；11—Ⅱ軸防塵罩；12—法蘭盤；13—橋殼總成。

2.2 軸承來樣、滾道及鋼球外觀檢測

針對8套某后橋主減速器已發生故障的深溝球軸承進行來樣外觀、滾道外觀及鋼球外觀檢測。檢測結果如下：

（1）來樣外觀：1#、2#、4#、6#、7#及8#軸承端面均合格，3#軸承卡死、端面一側壓傷，5#軸承散架、端面磨損。

（2）滾道及鋼球外觀：1#、2#、3#、4#、6#、7#及8#軸承內滾道和外滾道面上有磨損（如圖2所示），5#軸承內滾道和外滾道面上嚴重磨損和剝落（如圖3所示）。

圖2 1 #軸承內、外滾道外觀

圖3 5#軸承內、外滾道外觀

（3）鋼球外觀：1#、2#、3#、4#、6#、7#及8#軸承鋼球外觀出現壓痕，5#軸承鋼球外觀出現磨損（如圖4所示）。

圖4 1#及5#軸承鋼球外觀

2.3 軸承尺寸檢測

針對1#、2#、3#、4#、6#、7#及8#軸承內徑尺寸、外徑尺寸及徑向游隙進行檢測（見表1），結果表明1#、2#、3#、4#、6#、7#及8#軸承外徑尺寸均符合技術要求，1#、2#及6#內徑尺寸符合技術要求，3#、4#、7#、8#軸承內徑尺寸不符合技術要求。

表1 軸承尺寸檢測數據 單位：mm

編號外徑尺寸內徑尺寸 1#軸承61.99029.998 2#軸承61.99129.999 3#軸承61.99230.040 4#軸承61.98330.016 6#軸承61.99329.998 7#軸承61.99530.012 8#軸承61.99430.010

2.4 軸承硬度及金相檢測

針對5#軸承進行內圈硬度、外圈硬度及鋼球硬度檢測，內圈金相、外圈金相及鋼球金相檢測。檢測結果表明5#軸承的內圈洛氏硬度為62.5 HRC、外圈洛氏硬度為61.5 HRC、鋼球洛氏硬度為64.1 HRC，均符合技術要求。軸承內圈及外圈的金相檢驗結果未見組織異常，鋼球金相檢驗發現表面燒傷，燒傷深度為59.8 μm（見圖5）。

圖5 5#軸承鋼球表面及心部金相照片

3 后橋軸承失效原因分析

3.1 后橋主減速器關鍵尺寸分析

表2 二軸輸入及輸出端尺寸 單位：mm

編號二軸 輸入端直徑輸出端直徑 1#后橋φ29.988φ29.997 2#后橋φ29.988φ29.986 3#后橋φ29.985φ30.005 4#后橋φ29.986φ30.000

主減速器二軸加工精度不良會造成安裝后軸與軸承出現打滑現象，易產生高溫，加速軸承磨損，也更容易使軸承產生疲勞，導致軸承內外圈表面出現麻點或剝落。

3.2 后橋潤滑油加注量分析

該后橋原批量設計狀態加注雙曲線齒輪油為1.2 L，通過拆除部分橋殼，經加注1.2 L雙曲線齒輪油后測量油液液位，發現油液未接觸二軸齒輪（如圖6所示）。由于二軸缺乏潤滑，由此可導致軸承運轉時，散熱效果不佳同時雜質長時間在二軸或軸承上反復碾壓出現磨損。后橋潤滑不良導致軸承運轉處于貧油狀態，易形成粘著磨損，使工作表面狀態惡化，粘著磨損產生的撕裂物易進入保持架，使保持架產生異常載荷，造成保持架斷裂。

圖6 后橋油液液位圖

當潤滑油加注量增加至1.8 L時，二軸齒輪齒頂位置可接觸到油液，可潤滑各級齒輪及軸承，也可將各級齒輪及軸承上的雜質帶往油底殼。

3.3 后橋拆解分析

對已發生故障后橋進行拆解檢查內部清潔狀態，發現橋殼內部出現黑色黏稠狀雜質（如圖7所示），差速器齒輪有啃齒印跡，二軸齒輪表面存在斑點。

圖7 后橋內部雜質

若后橋在運轉過程中有異物或雜質進入軸承內部，會使軸承在運轉時長時間反復碾壓造成內、外圈出現褶皺，進而出現壓痕和磨損等，溝道粗糙度變得極大，使接觸表面迅速疲勞失效，最終剝落。剝落物又會形成新的異物顆粒，使表面造成更大的破壞，噪音進一步加大。在此過程中，軸承運轉阻力隨之增大，運轉不靈活，熱耗隨之增加，軸承溫度上升，使內徑、外徑尺寸漲大，軸承游隙減小，進而造成內徑或外徑出現打滑，甚至燒傷[6]。

4 結束語

針對某純電動汽車后橋軸承故障分析結果，從以下三個方面進行改進：（1）加強主減速器二軸加工質量管控，增加檢驗頻次；（2）更改后橋潤滑油加注量，增加至1.8 L，改善后橋潤滑環境；（3）提升后橋清潔度，清理裝配過程中后橋內產生雜質。經試驗場30 000 km可靠性試驗（等效普通道路行駛里程約200 000 km）未出現該故障，后續市場反饋未出現批量性故障，有效降低產品故障率，提升客戶滿意度。

[1] 程浩.淺談新能源汽車的發展趨勢[J].汽車實用技術,2019(22):1-2.

[2] 高亮,王松濤,劉軍和.某深溝球軸承的故障分析與改進[J].哈爾濱軸承, 2014, 35(3): 27-30.

[3] 黃曉輝.某深溝球軸承失效分析[J].哈爾濱軸承,2014,35(1):18-22.

[4] 陳雪峰,衛瑞元. 汽車軸承疲勞失效分析[J].軸承,2009 (3): 30-32.

[5] 陳家瑞.汽車構造(下冊)[M].北京:機械工業出版社,2009.

[6] 黃豐云,郭競妍,祁帆,等.汽車后橋主減速器齒輪嚙合故障診斷[J].武漢理工大學學報(信息與管理工程版),2018,34(3):301-305.

Failure Mechanism Analysis of Rear Axle Bearing of the Blade Electric Vehicles

ZHANG Xingfeng

（Nanjing Golden Dragon Bus Co., Ltd., Jiangsu Nanjing 211215）

For the problems of abnormal noise, rotation jamming and fall apart during the use of the bearing of the blade electric vehicles rear axle final drive, the failure mechanism of the bearing was studied, combined with the appearance, critical dimensions, hardness and metallographic testing of the faulty parts. The reason for the failure of the rear axle bearing of the blade electric vehicles was analyzed, which will provide a solution for the problem of the rear axle bearing.

Blade electric vehicles; Rear axle; Deep groove ball bearing;Failure mechanism; Failure analysis

U469.72

A

1671-7988(2021)20-23-03

U469.72

A

1671-7988(2021)20-23-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.020.006

張行峰（1981—），男，高級工程師，本科，就職于南京金龍客車制造有限公司，研究方向：新能源汽車噪聲與振動。