电动轻卡前轮毂轴承失效分析

2021-06-20谈智辉张传业李晓辉

汽车科技 2021年3期

谈智辉张传业李晓辉

摘要：轮毂轴承是汽车前后桥上重要的零件之一，它通过传递载荷和本身的旋转运动，实现汽车的正常行驶。某汽车行驶到2-3万公里左右时，多辆车出现前轴轮毂轴承异响、松旷的不良反馈。通过对故障车辆的相关零部件进行失效分析，发现故障是轮毂轴承出现疲劳失效引起，又经过对轮毂轴承分别在标载和超载状态下行驶寿命计算，前轴系统刚度有限元分析，以及轴承关键项目的型式试验鉴定，确定失效一是前轴及轮毂轴承过载，二是轮毂轴承本身质量不合格造成。

关键词：轮毂轴承;疲劳寿命;过载;轴承质量

中图分类号：U467 文献标识码：A 文章编号：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

谈智辉

毕业于太原机械学院车辆工程专业，本科学历，现就职于湖南省汽车车桥工程技术研究中心，任车桥研究所主任工程师，主要负责汽车车桥研发与设计，已发表论文两篇。

引言

汽车前轴轮端，结构上一般采用在轮毂腔内设计一对相对布置的圆锥滚子轴承，通过端部锁紧螺母调整轴承游隙。为防止轴承润滑油脂泄漏，内轴承外端设计有密封元件，见图一。

轮端的作用是将前轴的载荷传递到车轮，同时自身作旋转运动，以保证车辆正常行驶。

某纯电动轻卡在行驶里程为2-3万公里左右时，多辆车不同程度地出现前轴轮端异响，松旷、严重时甚至出现前轮甩脱的失效故障。

1 故障件失效模式分析

图二和图三分别为失效零件故障照片。图二中，转向节轴颈与轴承内圈是过渡配合，图中能清晰地观察到表面已高温变色，属轴承内圈与轴颈产生相对旋转，在前轴载荷的作用下，表面摩擦高温所致。图三中，外轴承内圈及滚动体表面也已高温变色并出现表面剥落、局部麻坑，表明滚动体表面接触应力偏大，已出现不同程度的疲劳点蚀。

通过市场调查，该批纯电动轻卡前轴实际使用负荷已达3000Kg左右，已明显超出理论设计负荷（2000Kg），超载达50%左右。过量的超载将使得前軸轮端工作环境恶化，轴承出现异常磨损和疲劳点蚀。

轴承滚动体出现疲劳点蚀，也可能与轴承本身的质量指标达不到标准要求有关。

另处，由于纯电动轻卡属电机直驱，电机在车辆起步阶段的恒扭矩输出特性，与燃油发动机的输出特性相比，前轴系统承受的瞬时冲击明显加剧，也会造成轮端轴承出现异常磨损和疲劳点蚀，使得轴承寿命急速下降。

2 轮毂内、外轴承寿命计算

1）电动轻卡及相关零部件基本参数如下：

轴距L=3360mm Tr轮距=1610 mm r车轮滚动半径=345 mm

w1前轴轴荷（标载）=2000Kg W2前轴轴荷（超载）=3000Kg

内轴承32309 Y=1.5 e=0.4 Cr=80.8KN

外轴承32306 Y=1.9 e=0.31 Cr=59KN

2）考虑电动轻卡的实际服役情况，其路面谱、载荷谱设定如下：

路面谱分布：

载荷谱分布：

3）轮端轴承力学模型建立：

结构模型和力学模型见图四，其中：N：单个轮胎的负荷 N=W/2 S1、S2：轮毂外、内轴承支承反力。

4）寿命计算：

根据路面谱和载荷谱，分别计算在两种载荷作用下，内外轴承的受力，并加权，再计算内外轴承的当量动负荷和使用寿命

按轴承的当量动负荷计算公式Pr=XFr+YFa，得：

行駛寿命L=（Cr/Pr）^（10/3）×10^6×2×3.14×r

结论：当前轴承载为标定负荷2000Kg时，轮毂内外轴承计算寿命均满足汽车前轴大修里程（30万Km）要求;但当超载到3000Kg时，均达不到大修里程要求。车辆在服役过程中，前轴各子件将不同程度地出现疲劳失效，零部件可靠性降低。

3 前轴承载系统建模及有限元刚度分析

对前轴、转向节、主销进行整体建模，以左右转向节轴颈处相应位置为支承点，对两板托面进行加载，载荷分别按2000Kg，3000Kg，建立力学模型，并进行ANSYSE有限元分析。图五是两种加载条件下前轴系统有限元计算的刚度值：

该前轴轮距为1610mm，若等效采用后桥刚度判定准则（QC/T534-1999，每米轮距不超过1.5mm）进行判定，则该前轴超载到3000Kg时，变形量是标准规定最大变形量的2.2倍。这种过量的变形，对前轴的承载系统、转向系统、轮毂轴承系统将带来严重的损害，各子系统工作环境恶化，零部件使用寿命将大大降低。

4 轴承型式试验及判定结论

为验证轮毂外轴承的疲劳寿命，随机抽取同一批次该轴承（型号32309，数量8套）送到国家轴承质量监督检验中心（洛阳）进行试验，按GB/T6391-2010《滚动轴承额定动载荷和额定寿命》， GB/T24607-2009《滚动轴承寿命可靠性试验及评定方法》进行检验和判定，试验加载条件如下：

额定动载荷Cr =59KN，

当量动载荷/额定动载荷（P/C）=0.393

轴向载荷=13950N 试验转速=1500r/min

基本额定寿命：160h

其试验结论为：2套轴承达到320h，其余6套为68-195.5h不等，按Webull分布进行数据处理，其可靠度仅为50.5%，判定为所送样品不合格。图六为疲劳试验的结论。

图七为疲劳试验样件的照片，滚动轴承的滚动体及内圈外表面均已不同程度的出现疲劳点蚀和剥落，其损坏的表现形式与本文中图三市场返回旧件的表现形式基本一致，同为疲劳点蚀，故障模式得以再现。

5 结论

1）车辆超载，造成前轴系统及轮毂轴承过载;

2）轮毂外轴承质量指标达不到国家标准要求;

3）对于采用电机直驱的纯电动轻卡，考虑到整车起步、倒车时工况的特殊性，以及可能存在电腐蚀造成轴承异常磨损等情况的发生，在前轴及轮毂轴承选型设计时，可适当加大前轴的承载能力（笔者建议按超过标定负荷20%-30%匹配），并选择高一级别精度等级的轴承，以提升车辆的可靠性。