汽车交流发电机轴承早期失效原因探讨

王佩剑 陆晓亮

摘要：随着人们对出行品质的要求越来越高，各式各样的用电设备都被安装在汽车上，无形之中增加了汽车耗电量。而汽车交流发电机作为汽车的电力来源，其重要性不言而喻。而轴承作为发电机的关键部件，由于在实际运行时存在各种极端工况，导致汽车交流发电机的轴承失效。本文通过分析轴承早期失效原因，能够对汽车交流发电机轴承未来制造设计带来相应的指导作用。

关键词：汽车交流发电机;轴承失效;原因分析

0  引言

伴随着中国汽车业的发展，汽车保有量逐年增加，相应的对环境的影响也越来越大，为了响应国家节能减排号召，降低燃油消耗，提高行驶效率，汽车企业对发动机以及汽车整体性能不断进行技术创新。与此同时，不同的电子设备被安装在汽车上，用以改善汽车驾驶以及乘车舒适度。因此对提供整车电力的交流发电机就提出了更高的要求，具体则落实在了发电机基础零部件的寿命以及可靠性上。汽车交流发电机的关键零件轴承需要进行长时间的工作，因此其寿命直接影响着发电机的维修次数。在汽车交流发电机运行过程中，为了获得较高的输出功率，发电机经常采用高速化的处理方式，使得轴承长时间处于高速工作状态下，除此之外轴承的工作状态还有重载、变速、高温等极端条件，导致发电机轴承产生早期失效的现象。针对这种现象，本文将针对某一型号的汽车交流发电机进行具体分析。

1  轴承失效具体形式

选取某一型号的汽车交流发电机，其前端的轴承有一定概率在刚开始使用时就会出现异常，经过仔细的研究，发现这些轴承的失效情况基本类似，因此本文针对代表性比较明显的一例进行研究。将发电机端盖以及轴承进行拆卸，进行相关检测后，轴承内外径尺寸以及径向游隙均符合管理规格，但轴承振动值明显超标，并且在进行振动检测时，能够明显感觉轴承外圈有缺陷，因此需要打开轴承，以便对缺陷进行更深入的分析。

将轴承的密封圈拆卸完成后，发现轴承的保持架和滚珠完好，润滑脂润滑效果正常。之后将滚珠拆下，仔细观察轴承滚轴、保持架以及内外圈的滚道。发现轴承内圈滚道两侧正常，但底部有明显磨损痕迹，颜色为黄褐色;外圈滚道两侧和非承载区颜色正常，但在承载区的底部有明显的磨损痕迹，颜色为黄褐色，范围约为整个外圈圆弧的四分之一。在轴承外圈的承载区，有一个凹凸不平的剥落面，放大观察剥落面呈沙滩状。在对轴承进行拆卸前，对轴承相应地方进行标记，拆卸完成后同原来标记位置比照，发现滚道出现剥落的位置并不是轴承承载最大的区域，而是在滚轴进入承载区时楔入点的位置，因此需要进一步分析产生这种失效情况的原因。

2  排查失效原因

对轴承外圈进行仔细观察，发现在滚道处有一处剥落，导致这种情况出现的影响因素有很多种，比如润滑脂出现问题、套圈硬度不合格、夹杂非金属杂物以及一些用扫描电镜才能发现的微观问题等。由于无法确定具体影响因素，因此使用排除法逐个分析，确定失效原因。

2.1 润滑脂检测

对轴承内的润滑脂进行检查，发现润滑脂使用状态良好，维持完整的油膏状。轴承密封圈内侧润滑脂表层颜色稍微加深，但润滑脂表层下颜色正常。进一步检测后，含水率和注脂量满足标准要求，同时红外光谱检测没有发现有劣化的迹象。检测表明轴承润滑脂没有问题。

2.2 套圈硬度检测

参照国标GB/T 34891-2017，对轴承外圈硬度进行检测，使用HR-150A的洛氏硬度计，经检测，轴承外圈硬度满足要求，表明軸承外圈硬度不是导致失效的原因。

2.3 非金属夹杂物检测

对轴承外圈滚道的剥落处采用线切割的方式进行纵向取样，利用蔡司显微镜分析样本的金相组织以及元素成分，经电镜扫描检测，失效部分各元素成分正常，未夹杂非金属元素。根据国标GB/T 18254-2016，对轴承外圈滚道剥落处的非金属夹杂物等级进行检测，结果满足标准要求。

2.4 显微组织检查

沿轴承外圈滚道剥落处的外圈进行纵向取样，将样品抛光，之后采用2%的硝酸酒精进行腐蚀处理。参照国标GB/T 34891-2017，检测样品的基体淬回火组织，经电镜观察，发现组织为碳化物颗粒、马氏体以及残留奥氏体的结合体，组织体正常。但观察样品剥落处的外貌，发现有裂纹存在，呈轴向分布，近似平行滚道表面，裂纹由内向外扩散并且周围无夹杂物及脱碳情况的出现。但裂纹周围有白色针状组织，白色组织附近无非金属夹杂物，存在较多细小裂纹并且白色组织走向同最大切应力相同，整个剥落区的形貌呈现穿晶断裂状。

3  白色组织成分分析

由于汽车辅机轴承，尤其是交流发电机轴承的使用条件越来越恶劣，轴承采用常规材料制造完成后进行常规热处理，导致轴承出现疲劳剥落的时间明显提前，大大降低了轴承使用寿命。虽然剥落发生在次表面，但剥落前的组织发生了明显变换。产生剥落的具体机理研究较多，但没有统一的结论。较为公认的机理如下，由于滚动体和滚道之间的相对滑动，导致油膜破裂进而在金属表面生成新生面。伴随着新生面的催化使得润滑剂被分解，产生氢。由于静电作用，产生的氢溶入钢中，产生氢脆现象，导致轴承滚道表面出现剥落。通常氢溶入钢中有三个过程，氢产生、氢移动、氢的吸附和扩散。

①氢产生：轴承润滑脂中基础油的种类不同，部分基础油容易分解;润滑脂在使用时掺杂了水分，由于工作过程中升温导致分解，产生氢。

②氢移动：皮带轮和多楔带之间由于摩擦会产生静电，氢离子在静电作用下移动到轴承套圈的滚道表面。

③氢的吸附和扩散：发电机轴承在工作状态下，由于振动以及速度的急剧变化，导致钢球在滚道表面容易滑动，而润滑的油膜强度不够，受钢球滑动影响，导致油膜破裂。金属表面缺少油膜覆盖而暴露在空气中，产生新生面，而由于静电的吸附作用，金属表面会将分解出来的氢进行吸附，并溶于金属中在内部扩散，导致脆氢现象的产生，使得轴承外圈滚道表面出现白色组织剥落。

4  分析失效原因

某型号汽车交流发电机在运行初期发现前端轴承存在异常噪音，将轴承拆卸后发现轴承外圈滚道存在一处疲劳剥落，位置处于轴承外圈滚道滚珠进入承载区的楔入点，同时轴承外圈滚道承载区底部以及内圈的滚道底部存在明显的磨损带。通过对轴承多项指标进行细致检查，将轴承套圈材料问题以及热处理方面的问题排除，确定的轴承外圈滚道剥落为次表面起源型疲劳剥落。在对轴承各项指标进行检测的过程中，发现三个异常特征：①轴承外圈滚道的剥落位置不是位于最高接触应力点，而是在滚珠进入轴承外圈滚道承载区时的楔入点;②轴承润滑脂红外光谱现实正常，整体颜色正常，但部分润滑脂表層颜色有所加深;③轴承外圈滚道的剥落区裂纹附近存在白色针状组织，并且分布呈一定规律。

汽车发电机的极端工况除了之前提到的，还存在皮带驱动轴承内圈旋转和轴承外圈滚道固定局部承载的情况。皮带传动属于非刚性传动，存在打滑的可能，从而引起轴承滚珠发生打滑;轴承外圈滚道局部承载并且位置不变，由此会引发两个问题：①固定的承载区会一直承受较高的接触应力;②轴承滚珠在接触区工作时，由于经常的加速和减速会引发滚珠打滑。为了降低皮带打滑的概率，需要增加皮带的张紧力，增加的张紧力会通过杠杆效应反映到轴承的接触载荷上，间接的使轴承外圈滚道承载区变窄，导致接触应力升高，进一步加剧了轴承滚珠打滑的问题。所以，汽车交流发电机轴承接触应力高是必然的，轴承滚珠打滑无法避免，而且汽车发电机功率越高，轮系张紧力的匹配度就越低，从而使滚珠打滑越严重。

轴承滚珠打滑产生的新生面活性以及局部的高温，对接触区的摩擦化学反映具有催化作用，能够将大部分的润滑脂裂解，导致接触区的润滑效果恶劣，润滑油膜厚度不够甚至发生破裂，同时还会产生氢离子并溶入接触面下。

综上所述，轴承外圈滚道出现疲劳剥落主要是由两方面因素共同作用导致的，分别是轴承滚珠的打滑，轴承外圈滚道局部上时间承受较高的循环接触应力，在剥落区出现白色针状组织，属于轴承的早期失效剥落。同时轴承外圈滚道剥落区的位于外圈滚道承载区滚珠的楔入点。

5  总结

由于汽车交流发电机在运行时需要应对各种不同的极端工况，导致发电机主轴的前轴承出现新的失效问题，使得轴承外圈出现剥落现象，远远低于轴承外圈的设计寿命，影响轴承的持续使用。通过本文的分析，发现了产生这种早期失效原因，对今后延长轴承寿命，指导汽车交流发电机的组装以及其轴承的工艺改进具有重要作用。

参考文献：

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