车桥用圆锥滚子轴承失效分析

殷 明，徐龙吟，徐 磊

（1.哈尔滨轴承集团公司 制造技术部，黑龙江 哈尔滨 150036；2.北京火谷网络科技股份有限公司，北京 100027；3.哈尔滨哈轴精密轴承制造有限公司，黑龙江 哈尔滨 150036）

车桥用圆锥滚子轴承失效分析

殷 明1，徐龙吟2，徐 磊3

（1.哈尔滨轴承集团公司 制造技术部，黑龙江 哈尔滨 150036；2.北京火谷网络科技股份有限公司，北京 100027；3.哈尔滨哈轴精密轴承制造有限公司，黑龙江 哈尔滨 150036）

针对某圆锥滚子轴承过早失效的问题，对其工作情况及损坏形式进行了详细分析，并通过了解轴承失效机理、模拟重建轴承失效过程，找出轴承失效原因，提高轴承使用寿命，给出了轴承过早失效问题的解决方案。

圆锥滚子轴承；失效；寿命

1 前言

滚动轴承是机械设备的关键基础件之一，轴承的运行状况直接影响机械设备的运行质量，因而在使用时要求相应地持慎重态度。即便使用了高性能的轴承，如果使用不当，也不能达到预期的性能效果。当轴承的性能指标低于使用要求而不能正常工作时，轴承就发生了故障甚至失效，轴承一旦发生失效等意外情况后，机器、设备将会停转，出现功能丧失等各种异常现象，因此需要在短期内查出发生的原因，并采取相应的措施。当然，滚动轴承失效的情况比一般机械零件的失效要复杂得多，其失效的特点是表现形式多，原因复杂。

所谓轴承失效，即轴承在工作中丧失其规定功能，从而导致故障或不能正常工作的现象。轴承的失效按其寿命可分为正常失效和早期失效两种。通常分析工作主要是针对早期失效的轴承。通过对早期失效轴承的分析，找出其失效的原因，提出改进措施，以提高轴承运转的寿命和可靠性，不断提高轴承产品质量。

圆锥滚子轴承（图1）一般可承受较重的径向和轴向联合载荷，也可承受纯轴向载荷，主要取决于轴承接触角的大小，接触角越大，轴向承载能力越高。

图1 圆锥滚子轴承

2 轴承失效分析

2.1 故障件描述

该轴承被装配在某型车车桥的主动柱齿轮两侧，齿轮两侧各安装一套该轴承。通过与该公司技术人员沟通，了解到该型号轴承在使用过程中经常出现轴承过烧、保持架断裂、轴承内圈与滚子损坏严重等现象，具体损坏形式为：故障轴承损坏严重，轴承内圈滚道有光亮状剥落痕迹，大挡边外翻且已磨失，小挡边外翻（图 2、图3），内径一侧有带深度轴花键压痕（图 4）。

图2 内圈损坏严重且大挡边外翻

图3 内圈小挡边外翻

图4 内径存在有深度贯穿压痕

2.2 失效形式分析

磨损是指在使用过程中,两个滑动或滚动与滑动接触表面的微凸体相互作用造成材料的不断移失，主要分为磨粒磨损和粘着磨损两方面。磨粒磨损是润滑不充分或外界颗粒侵入的结果，表面变暗的程度因磨粒的粒度和性质而异。由于旋转表面和保持架上的材料被磨掉，这些磨粒数量逐渐增多，最终磨损进入一个加速过程，从而导致轴承失效。粘着磨损是材料从一表面转移到另一表面，并伴有摩擦发热，有时还伴有表面回火或重新淬火，这一过程会在接触区产生局部应力集中并可能导致开裂或剥落。

根据该轴承的失效表现，内圈滚道呈现光亮状磨损、滚道及挡边磨损严重且已发生胶合现象（图 2），可知该轴承的失效形式为粘着磨损。

2.3 失效验证

对故障轴承的套圈及滚子进行了金相组织及硬度检测，检测结果见图 5 和表 1。

图5 内圈淬回火组织

表1 故障轴承滚子硬度检测 /HRC

2.4 失效分析

故障轴承零件的金相组织及硬度检测结果表明，内圈在使用过程中发生了高温回火,回火温度应在350℃以上。

轴承滚道表面产生光亮状磨损，应为润滑剂不合适或润滑剂供给不足导致；内圈挡边和滚道发生粘着磨损的失效原因应为滚子上的轴向载荷过大和润滑不充分造成粘着磨损，使滚子端面发生咬粘现象。

因该轴承损坏频繁，通过与客户技术人员沟通，取得了该轴承的运行参数，并通过Romax软件模拟建模，对轴承进行寿命分析。该齿轮轴为螺旋齿轮（见图 6），齿轮两侧各安装一套30215轴承，轴承的额定轴向载荷为41.5kN。螺旋齿轮传递的轴向力很大，通过建模分析确定为54.5kN。通常情况下，轴承允许的轴向载荷不超过定载荷的50%，30215轴承此时承受的载荷已经远远超过了其所能承受的极限，齿轮两侧轴承的计算寿命为表 2 和表 3。

通过以上分析可以推断，轴承在使用时，因轴向载荷过大，滚动体挤压轴承内圈大挡边，致使滑动摩擦严重，轴承温度迅速升高导致套圈产生回火软化，使零件表面发生表面剥落及胶合，滚子在此情况下运转不良，内圈软化后在滚子极大的轴向力作用下，大挡边被碾压外翻，最终导致轴承失效。

表2 长轴端轴承计算寿命

表3 短轴端轴承计算寿命

图6 齿轮轴

3 解决方法

通过对该轴承使用工况进行了解后发现，该车桥设计中齿轮轴原为斜齿轮，对轴承产生的轴向力较小，轴承未见失效发生，但斜齿轮在传动过程中，会产生较大噪音，客户在使用中反响较强烈。为减小整体噪音，将斜齿轮更改为现有的螺旋齿轮，整体噪音明显下降，但导致轴承所受轴向力明显变大，超出轴承承受极限，使轴承过早失效。

利用专用软件Romax建模分析，该轴承失效的原因应为轴向载荷过大所致，因此，对轴承的接触角度进行了调整，根据GB/T 297《滚动轴承圆锥滚子轴承 外形尺寸》标准，内径为75mm的轴承最大接触角为28°48′39″，当调整至该接触角时，轴承计算寿命为表 4 和表 5，还是不能满足用户整车寿命要求，建议用户考虑扩大轴承外形尺寸或从其他方面减小轴承所受轴向载荷，以满足对轴承的使用要求，避免此类失效再次发生。

表4 长轴端轴承计算寿命（接触角调整后）

表5 短轴端轴承计算寿命（接触角调整后）

4 结束语

为了避免轴承早期失效，根据工况条件，选择合适的轴承最重要。轴承的选择是一项重要、细致、复杂的技术工作，它包括轴承结构选择、性能选择和使用寿命的计算。从众多结构、尺寸的轴承中选取合适的轴承，需要考虑如下诸多因素：

（1）机械本身的结构、性能、使用条件对滚动轴承的要求。结构上要考虑轴承允许的空间、安装拆卸的位置；性能上要考虑精度、寿命、噪声、力矩等；使用条件上要考虑润滑脂的老化寿命、温度、介质等。

（2）精度等级。根据主机要求，选择轴承的类型、结构、游隙、公差等级。

（3）寿命计算。根据主机设备的质保要求及工况，对轴承进行预期寿命计算，保证满足客户要求。

总之，在轴承选型时，应该对轴承进行全面考察，尽早发现轴承是否满足使用要求，预防轴承早期失效，确保设备正常工作。

（编辑：钟 媛）

Failure analysis of tapered roller bearing used for differential mechanism

Yin Ming1, Xu Longyin2, Xu Lei3

( 1.Manufacturing Technology Department, Harbin Bearing Group Corporation, Harbin 150036,China; 2. Beijing Fire Valley Network Science and Technology Co., Ltd., Beijing 100027, China; 3.Harbin Hazhou Precision Bearing Manufacturing Co., Ltd., Harbin 150036, China )

According to the problem of premature failure of certain tapered roller bearing, the working conditions and damage form are analyzed in detail, and by understanding the failure mechanism and simulating the failure process of bearing, the cause of bearing failure is find out and the service life of bearing is improved, so that the solution of premature failure of bearing is given.

tapered roller bearing; failure; service life

TH133.33+2

B

1672-4852（2016）04-0007-03

2016-10-16.

殷 明（1984-），男，工程师.