汽车水泵轴承断裂分析与解决方案

针对汽车水泵轴承发生断裂的失效问题，对断轴的形貌、化学成分、硬度及金相等进行了检验和分析，表明断裂的主要原因是泵轴的强度偏低和退刀槽存在尖端缺口效应，属典型的疲劳断裂。提出了改变水泵轴承热处理工艺和优化泵轴几何尺寸的解决方案，有效地解决了水泵轴承断裂的质量问题。
关键词：汽车水泵轴承；疲劳断裂；感应淬火
汽车水泵是发动机冷却系上的关键部件，其在水泵轴承的一端通过皮带轮输入扭矩，带动另一端的叶轮旋转。为适应发动机的大功率、高效率的发展要求，对水泵轴承提出了更高的性能要求。断裂、腐蚀、剥落和漏脂等是汽车水泵轴承常见的失效模式，其中以断裂的危害最大，因此对断裂的失效模式进行分析并制定相应的预防措施是十分必要的。
某型号汽车水泵在车辆运行大约200小时后发生轴承断轴问题，用户严重抱怨。该水泵轴承型号为WR1938148，产品结构如图1所示，断口发生在法兰盘后部的退刀槽处。为了掌握该水泵轴承断裂的原因，对失效件进行了检验和分析。
断口分析
断口形貌如图2所示，疲劳裂纹扩展台阶和条纹清晰可见，根据其特征将断口分为3个区域：起裂源区、疲劳裂纹扩展区、瞬时断裂区。通过肉眼和低倍镜观察发现：1区出现明显的反复摩擦痕迹，因此可以断定此处为疲劳裂纹的起始位置。1区的下方出现放射状条纹，而且有明显的撕裂痕迹，所以该区为疲劳裂纹扩展区。2区的起始位置存在明显的撕裂痕迹，之后又没有出现，这说明裂纹在开始扩展时速度很快。随着裂纹的加深，扩展速度不断减小，最后僵持停留一段时间，在断口上留下停留痕迹。当裂纹扩展到临界值，轴的剩余截面无法克服弯扭复合应力时，就造成以剪应力为主的瞬时剪切疲劳破坏，因此3区存在拉长的韧窝，且有弧形划痕。通过断口的观察和分析可知，断面属典型的弯扭复合疲劳断裂。在开始时，裂纹的起裂和扩展主要以弯曲应力为主，一旦起裂，裂纹扩展速度由快变慢，之后进入裂纹扩展僵持阶段，最后以剪应力为主造成轴的断裂失效。