汽车交流发电机轴承早期失效原因探讨--中国期刊网

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汽车交流发电机轴承早期失效原因探讨

发表时间：2020/11/4 来源：《基层建设》2020年第21期作者：沈陈聪

[导读] 摘要：随着汽车技术的不断发展，汽车上应用了许多用电设备，从而使汽车的功能更加的全面，但由此带来的就是汽车耗电量的增加，而电力来源则为发电机。

        浙江安美德汽车配件有限公司浙江湖州 313000
        摘要：随着汽车技术的不断发展，汽车上应用了许多用电设备，从而使汽车的功能更加的全面，但由此带来的就是汽车耗电量的增加，而电力来源则为发电机。轴承是汽车发电机中十分重要的部件之一，因为发电机的运行过程中工况比较复杂，因此导致其轴承会出现失效的情况。针对这种情况，本文对汽车交流发电机轴承早期实现的原因进行了分析，对轴承的进一步优化设计有一定帮助。
        关键词：交流发电机；汽车；轴承；失效原因
        0引言
        为了使汽车的驾驶体验更好，各种不同功能的电子设备被安装在了汽车上，为了保证这些设备的正常工作，对汽车交流发电机提出了较高的要求。轴承作为发电机中的关键零件，会长时间处于运行的状态，因此其寿命会对发电机的正常使用产生直接的影响。为了能够使发电机提供更高的输出功率，发电机需要处于高速运转的状态，而轴承则需要承受高速以及变速等极端工作状态，从而导致发电机的轴承会出现早期失效的问题。为了确定具体失效原因，本文对某型汽车交流发电机进行了具体分析。
        1 轴承失效具体形式
        以某型汽车交流发电机为例，其前端轴承在运行初期有时会出现失效的情况，通过进一步的分析发现失效的情况大致相同，因此本文选择某一例进行分析。将发电机的端盖以及轴承拆卸下来并进行检测，发现相关尺寸满足要求，但轴承的振动值超出标准，所以将轴承打开进行进一步的分析。拆下轴承密封圈，发现轴承的滚珠以及保持架处于正常状态，并且润滑脂的润滑效果良好。拆下滚珠后发现轴承内圈两侧滚道处于正常状态，不过底部有黄褐色的磨损痕迹；而轴承外圈的两侧以及非承载区颜色正常，不过承载区的底部同轴承内圈一样，都有黄褐色的磨损痕迹。此外，轴承外圈的承载区还存在一个凹凸不平、呈沙滩状的剥落面。通过对轴承拆卸前后的位置进行比对，发现出现剥落的位置是在滚轴进入承载区时楔入点，而不是最大承载区，所以需要进行深入的分析，确定具体原因。
        2 排查失效原因
        导致轴承外圈滚道出现剥落的原因有很多种，比如润滑脂有问题、掺杂了非金属杂物等等。因为不能够直接确定原因，因此只能使用排除法进行排除确定原因。
        2.1 润滑脂检测
        检查轴承内的润滑脂，发现润滑脂状态正常，不过轴承密封圈内侧润滑脂表层的颜色略深，表层下的颜色正常。在进行相关的检测后，确定润滑脂的相关指标满足要求，并且经红外光谱检测后，并没有发现存在劣化的问题，因此轴承的润滑脂不是导致轴承失效的原因。
        2.2 套圈硬度检测
        根据相关国标，使用专业的落实硬度计检测轴承外圈的硬度，发现硬度满足要求，因此轴承外圈的硬度也不是导致轴承失效的原因。
        2.3 非金属夹杂物检测
        对轴承外圈滚道的剥落处进行取样，使用专业的显微镜对样本的元素成分以及金相组织进行检测，发现样本各元素的比例正常，并且样本中没有掺杂其他非金属元素，满足国标要求。
        2.4 显微组织检查
        对轴承外圈滚道剥落处的外圈进行纵向取样，并进行抛光处理以及腐蚀处理。根据相关的国标要求，对样品的基体淬回火组织进行检测，使用电镜观察，发现组织体没有异常。不过对样本剥落处的形貌进行观察，发现存在呈轴向分布的裂纹，裂纹由内向外扩散，其周围没有夹杂物并且没有出现脱碳的情况。不过在裂纹的周围存在白色针状组织，这些白色组织的周围没有非金属夹杂物，不过有许多细小的裂纹，并且白色组织的走向与最大切应力方向一样，整个剥落区呈穿晶断裂状。

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        3 白色组织成分分析
        因为汽车交流发电机轴承需要在多种极端工况下运行，使得采用常规材进行料制造采用常规热处理的轴承较早便出现疲劳剥落的问题，从而使轴承使用寿命明显下降。剥落产生的具体机理有较多的研究，不过还没有一直的结论。目前公认度较高的机理为，因为滚动体与滚道之间存在相对滑动，使得油膜破裂并在金属表面生成新生面。在新生面的作用下润滑剂被分解并生成氢。在静电作用下，生成的氢溶入钢中，引发脆氢问题，使得轴承滚道的表面产生剥落。一般氢经三步才能溶入钢中，分别为氢产生、氢移动以及氢的吸附与扩散。
        （1）氢产生：产生氢的原因通常有两方面，一方面是因为轴承润滑脂的基础油有差异，有的基础油比较容易分解从而产生氢。另一方面是因为在使用润滑脂时混入了水，轴承开始运行后温度逐渐升高，导致水分解产生氢。
        （2）氢移动：发电机在运行时，皮带轮与多楔带之间的摩擦会产生静电，在静电作用下氢离子能够移动到轴承套圈的滚道表面。
        （3）氢的吸附和扩散：当汽车发电机在运行时，因为振动以及速度的不稳定，使得轴承的钢珠在滚道表面容易出现打滑的问题，如果这时润滑的油膜轻度较低，就会导致油膜破裂。因缺少油膜覆盖，滚道表面便产生了新生面，在静电作用下，滚道表面吸附产生的氢，将其溶入金属中并在内部扩散，从而引发脆氢问题，导致轴承外圈管道表面出现剥落问题。
        4 分析失效原因
        某型汽车交流发电机运行不久后期前端轴承出现异常噪声，将轴承拆下后发现轴承的外圈滚道滚珠进入承载区的楔入点位置产生了疲劳剥落，并且在外圈滚道承载区底部以及内圈的滚道底部都有较为明显的磨损情况。通过进行相关的检查与分析，确定轴承外圈的滚道剥落为次表面起源型疲劳剥落。而在对轴承的相关指标进行检测过程中，发现下列三个异常：（1）支撑外圈滚到的剥落位置为滚珠进入轴承外圈滚道承载区时的楔入点，而非最高接触应力点。（2）轴承润滑脂经红外光谱检测没有异常，颜色整体正常，但部分区域润滑脂的表层颜色较深。（3）轴承外圈滚道剥落区裂纹周围有呈一定规律分布的白色针状组织。
        汽车发电机在工作过程中会遇到较多的极端工况，除了前文提到的，还有皮带驱动轴承内圈旋转以及轴承外圈滚道固定局部承载的情况。因为皮带传动不是刚性传动，因此会出现打滑，进而导致轴承滚珠也会打滑，而轴承外圈滚道局部受载，并且位置固定，从而会导致出现两个问题：（1）承载区会长时间处于受接触应力较大的状态。（2）轴承滚珠处于接触区时，因为频繁的进行加减速，从而会使得滚珠出现打滑的现象。为了最大程度的保证皮带的正常运行，需要将皮带的张紧力进行提高，通过杠杆效应能够使增加的张紧力反映到轴承的接触载荷上，从而降低轴承外圈滚道承载区的宽度，进一步使得接触应力增加，导致轴承滚珠打滑的情况更加严重。
        而因为滚珠打滑所产生的新生面具有较高的活性，加上局部的温度较高，从而能够对接触区的化学反应起到催化效果，使得大部分的润滑脂被裂解，导致接触区的润滑质量下降，润滑油膜变薄以至于比较容易破裂，并且其还会分解出氢离子溶入接触面下。
        通过上述分析，可以将导致轴承外圈滚道出现疲劳剥落的原因总结为两点，即轴承滚珠打滑以及轴承外圈滚道局部长时间受到较高循环接触应力作用。并且出现在剥落区的白色组织属于轴承早期的失效剥落，而轴承外圈管道的剥落区则处在外圈滚道承载区滚珠的楔入点这个位置。
        5 结语
        本文对导致汽车发电机轴承出现早期失效的具体原因进行了分析，确定具体轴承外圈滚道出现疲劳剥落的失效机理，对后续的轴承设计以及改进能够起到一定的参考作用。
        参考文献：
        [1]刘斌，牛玉周，郭长建.发电机轴承中白色组织剥落现象的探讨[J].轴承，2012（09）：29-32.
        [2]梁华，郭浩，王煜哲.滚动轴承接触疲劳失效的分析方法[J].轴承，2015，000（009）：26-29.
        [3]孙慧广，王松涛，高亮.某电机轴承失效分析[J].哈尔滨轴承，2015，000（002）：15-17.