汽車鏈滾子元件的高速多沖抗力研究

王淑坤 馮 立 孟繁忠

1.長(zhǎng)春理工大學(xué),長(zhǎng)春,130022 2.吉林大學(xué),長(zhǎng)春,130025

0 引言

鏈傳動(dòng)以其高可靠、低成本、長(zhǎng)壽命成為新型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的首選,現(xiàn)代汽車關(guān)鍵部件里已廣泛地應(yīng)用了正時(shí)鏈、機(jī)油泵鏈、平衡軸鏈、共軌泵鏈等汽車鏈[1]。汽車鏈的節(jié)距主要有 6.350mm、7.000mm、7.620mm、8.000mm、9.525mm、12.700mm等;鏈條結(jié)構(gòu)型式有套筒鏈、滾子鏈和齒形鏈等。其中,滾子鏈以其成熟的設(shè)計(jì)技術(shù)、加工工藝、熱處理方法以及成本低廉的優(yōu)點(diǎn),占據(jù)了較大的汽車鏈?zhǔn)袌?chǎng)。汽車鏈的工況不同于普通鏈條,其主動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)速已高達(dá)5000r/min以上,有的已超過(guò)了10 000r/min,遠(yuǎn)超出普通傳動(dòng)鏈條的性能允許范圍。同時(shí),汽車鏈的高速多沖、速度與載荷交變、強(qiáng)耐磨性、高可靠性以及振動(dòng)穩(wěn)定性等要求也構(gòu)成了行業(yè)內(nèi)的一大技術(shù)難點(diǎn)。但由于國(guó)產(chǎn)汽車鏈的高速性能與主機(jī)產(chǎn)品的要求存在一定差距,因而眾多高端主機(jī)廠的汽車鏈產(chǎn)品仍以進(jìn)口為主。現(xiàn)有的常規(guī)技術(shù)已無(wú)法滿足汽車鏈開(kāi)發(fā)的需求,因而高性能汽車鏈的研究成為本學(xué)科新的前沿研究領(lǐng)域[2]。

滾子是影響汽車用滾子鏈高速性能的關(guān)鍵。通常,中小規(guī)格滾子鏈在高速下運(yùn)轉(zhuǎn)的主要失效形式一般表現(xiàn)為滾子和套筒的沖擊疲勞破壞[3]。對(duì)于汽車鏈條元件而言,其斷裂也主要發(fā)生在鏈板和滾子零件上。本文通過(guò)道路行駛和臺(tái)架模擬試驗(yàn),微觀分析汽車鏈滾子元件的主要失效形式,研究滾子在正常服役條件下的斷裂機(jī)制,對(duì)比分析滾子不同成形工藝下的特性,從而提出汽車鏈滾子元件的抗高速多沖的措施,為建立高速鏈傳動(dòng)設(shè)計(jì)理論奠定基礎(chǔ),也為提出具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的適應(yīng)我國(guó)本土化的汽車鏈的關(guān)鍵設(shè)計(jì)制造技術(shù)提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

1 汽車鏈滾子元件的主要失效形式

1.1 滾子的磨粒磨損

磨粒磨損是指由于硬質(zhì)顆粒或硬突起物使材料產(chǎn)生遷移而造成的一種磨損。磨粒磨損很少是由一種單一的磨損機(jī)制所引起的,而經(jīng)常是多種磨損機(jī)制綜合作用的結(jié)果,且隨著磨損條件的變化而不斷在不同機(jī)制之間轉(zhuǎn)化。

試驗(yàn)規(guī)范：國(guó)產(chǎn)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)鏈06BT-1,滾子冷擠成形,節(jié)距p=9.525mm,以鏈條節(jié)數(shù)表示的鏈長(zhǎng)Lp=64節(jié),主動(dòng)鏈輪齒數(shù)z1=19,從動(dòng)鏈輪齒數(shù)z2=38,發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率P=83k W(5000r/min);小鏈輪最高轉(zhuǎn)速為 n1max=5200 r/min,多點(diǎn)電噴供油(MPI),設(shè)有阻尼器和張緊器,道路行駛14萬(wàn)公里失效。

利用掃描電鏡對(duì)滾子內(nèi)表面進(jìn)行了分析,其微觀形貌如圖1所示。從試驗(yàn)的磨損表面形貌圖片上,可清晰地觀察出磨粒磨損引起的犁溝,在相配合的套筒表面,也發(fā)現(xiàn)有方向一致的犁溝。這些微觀分析圖片顯示,汽車鏈滾子元件發(fā)生了磨粒磨損現(xiàn)象。

圖1 道路行駛14萬(wàn)公里汽車鏈滾子內(nèi)表面微觀形貌

1.2 滾子的疲勞點(diǎn)蝕

疲勞點(diǎn)蝕是指當(dāng)兩個(gè)接觸體相對(duì)滾動(dòng)或滑動(dòng)時(shí),在接觸區(qū)形成的循環(huán)應(yīng)力超過(guò)零件材料的疲勞強(qiáng)度極限的情況下,在接觸表面層將引起裂紋,并逐步擴(kuò)展,最后使裂紋以上的材料斷裂剝落下來(lái)的磨損過(guò)程。疲勞點(diǎn)蝕作為最普遍的失效形式出現(xiàn)在滾子外表面與鏈輪輪齒的相互嚙合接觸表面,其典型的特征為點(diǎn)蝕和剝落。微觀分析上述試驗(yàn)鏈條滾子的點(diǎn)蝕表面(圖2),有大面積的點(diǎn)蝕坑和裂紋的擴(kuò)展。這種失效形式不僅在很大程度上影響了鏈條的疲勞壽命,而且脫落的材料將進(jìn)入潤(rùn)滑液中,隨著潤(rùn)滑劑的流動(dòng)進(jìn)入鉸鏈副,對(duì)銷軸與套筒的配合表面造成磨粒磨損[4]。另外,由于滾子的外表面的點(diǎn)蝕剝落,影響了滾子的表面狀態(tài),當(dāng)滾子與鏈輪齒嚙合時(shí),還將進(jìn)一步產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。

1.3 滾子的多沖疲勞破壞

鏈條在嚙入過(guò)程中會(huì)由于多邊形效應(yīng)而產(chǎn)生由嚙入沖擊引起的動(dòng)載荷。而且,隨著鏈輪齒數(shù)的減少,嚙入沖擊增強(qiáng)。在滾子鏈傳動(dòng)過(guò)程中,嚙入沖擊首先由滾子承受,然后再傳遞給套筒、銷軸和鏈板。這樣,滾子和套筒就受到反復(fù)多次的沖擊載荷,經(jīng)過(guò)一定的循環(huán)次數(shù)后,就會(huì)發(fā)生小能量高周沖擊疲勞破壞,表現(xiàn)為滾子的斷裂或掉塊現(xiàn)象。嚙合時(shí),滾子相對(duì)輪齒做滾動(dòng)兼滑動(dòng)的運(yùn)動(dòng),因此,滾子上的沖擊力作用點(diǎn)是隨機(jī)變化的。中高速的鏈傳動(dòng)的承載能力主要取決于滾子和套筒的沖擊疲勞破壞,且轉(zhuǎn)速越高,承載能力就越低[5]。

圖2 國(guó)產(chǎn)06BT-1汽車鏈滾子發(fā)生疲勞點(diǎn)蝕微觀形貌圖片

分析對(duì)象：國(guó)產(chǎn)06BT-1鏈條,臺(tái)架試驗(yàn)500h,主動(dòng)鏈輪齒數(shù)z1=19,從動(dòng)鏈輪齒數(shù)z2=38,鏈長(zhǎng) L p=80節(jié),滾子卷制成形,功率 P=8.0k W,主動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)速為 n1=6000r/min。該試驗(yàn)鏈條在運(yùn)行至439h時(shí)出現(xiàn)滾子斷裂,將斷裂滾子制成樣件,利用掃描電鏡所得微觀斷口形貌如圖3所示。

根據(jù)滾子斷口的微觀掃描圖片,結(jié)合斷口分析理論,表明了汽車鏈滾子的斷裂屬于典型的延性斷裂。延性斷裂是指金屬材料在過(guò)載負(fù)荷的作用下,局部發(fā)生明顯的宏觀塑性變形后的斷裂。延性斷裂有兩種類型,一種是韌窩—微孔聚集型斷裂,另一種是滑移分離斷裂。在工程材料中延性斷裂反映為過(guò)載斷裂,即零件所承受的真實(shí)應(yīng)力超過(guò)了危險(xiǎn)截面處材料的強(qiáng)度所發(fā)生的斷裂。圖3中滾子的微觀斷口顯示為明顯韌窩狀,斷裂機(jī)制是微孔聚集型,零件成形的冷變形工藝如冷彎、冷鐓、冷拔、冷沖、冷擠壓等經(jīng)常發(fā)生這種延性斷裂。

圖3 經(jīng)500h臺(tái)架試驗(yàn)主試鏈滾子斷口形貌

2 提高滾子高速多沖抗力的途徑

汽車鏈在高速區(qū)工作時(shí),滾子的沖擊疲勞破裂是其主要的失效形式。滾子作為鏈條與鏈輪的嚙合元件,它直接承受著較大的沖擊載荷,在循環(huán)應(yīng)力作用下,在滾子的應(yīng)力集中區(qū)即滾子端部會(huì)萌生疲勞裂紋,并逐漸向滾子中部擴(kuò)展,當(dāng)滾子的制造工藝與加工質(zhì)量達(dá)不到要求時(shí),裂紋不斷擴(kuò)展并導(dǎo)致端部掉塊或整體破裂。當(dāng)產(chǎn)生破裂的滾子達(dá)到一定數(shù)量時(shí),由于與鏈輪處于非正常嚙合狀態(tài),工作張力急劇增大,最終導(dǎo)致鏈條斷裂失效。諸多資料顯示,滾子零件的斷裂與很多因素有關(guān),如材料及組織、冶煉方法、加工方法、熱處理方法以及服役條件等。這些因素都不同程度地影響著斷裂的模式及機(jī)理,進(jìn)而表現(xiàn)為不同的形貌。綜合分析以上因素的影響,可以從材料的選擇及熱處理工藝、成形工藝及外廓形狀等角度提高汽車鏈滾子元件的抗高速多沖的能力。

2.1 滾子的材料選擇及熱處理工藝

滾子與鏈輪、套筒之間的摩擦為滾動(dòng)兼滑動(dòng)摩擦,在良好的潤(rùn)滑條件下,其磨粒磨損是次要的,關(guān)鍵是保證滾子具有較高的多沖疲勞抗性和一定的擠壓強(qiáng)度。在現(xiàn)有條件下,為了提高國(guó)產(chǎn)鏈條的性能,借鑒國(guó)外名牌滾子鏈的經(jīng)驗(yàn),也為了彌補(bǔ)我國(guó)在冶煉水平與冷加工方面的不足,目前優(yōu)質(zhì)的國(guó)產(chǎn)汽車鏈條的滾子零件多采用較好的合金鋼。對(duì)于冷擠滾子,建議采用 20CrMnMo、20CrNiMo、35CrMo等材料,并進(jìn)行滲碳或碳氮共滲處理工藝,可明顯提高滾子的多沖疲勞性能。而針對(duì)卷制滾子,可采用 50CrVA、35CrMo、42CrMo等,進(jìn)行整體等溫淬火,也可顯著提高滾子的多沖抗力。

2.2 滾子的成形工藝

滾子的成形工藝比較復(fù)雜,目前,汽車鏈滾子零件的主要成形工藝為冷擠和卷制兩種。通過(guò)對(duì)這兩種成形工藝的滾子試驗(yàn)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn),卷制滾子接縫周邊易產(chǎn)生劃痕與展延,冷擠滾子內(nèi)表面會(huì)產(chǎn)生縱向劃痕與端部的橫向臺(tái)階。試驗(yàn)研究表明,上述制造過(guò)程中的質(zhì)量缺陷正是滾子破裂的疲勞裂紋源,也是影響汽車鏈國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程的一個(gè)重要瓶頸因素。下面對(duì)兩種成形工藝的滾子進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)分析。

2.2.1 冷擠滾子

圖4 傳統(tǒng)工藝?yán)鋽D滾子的內(nèi)表面微觀分析照片

傳統(tǒng)的冷擠滾子在使用模具加工時(shí),在其內(nèi)表面容易形成較深的縱向加工劃痕及不規(guī)則的橫向凹槽(圖4),在多沖循環(huán)載荷作用下,首先在縱向加工劃痕處萌生裂紋并擴(kuò)展,導(dǎo)致滾子整體斷裂脫落;而在橫向凹槽處萌生的裂紋及擴(kuò)展,一方面將導(dǎo)致滾子端部局部斷裂,產(chǎn)生“掉塊”現(xiàn)象,另一方面可能導(dǎo)致二次裂紋的萌生及向滾子中心方向的擴(kuò)展,從而導(dǎo)致滾子的整體斷裂。與卷制滾子相比,冷擠滾子的生產(chǎn)效率高;同時(shí),由于利用低碳合金鋼進(jìn)行制造(通常汽車鏈的卷制滾子采用優(yōu)質(zhì)合金鋼制造),因而成本較低,但對(duì)加工設(shè)備、工藝要求高。本次試驗(yàn)的冷擠滾子采用引進(jìn)的高速五工位冷擠機(jī)制造,其模具采用了表面鍍鈦技術(shù),由于采取了上述工藝、設(shè)備,使所加工的滾子內(nèi)表面的縱向劃痕明顯變淺,橫向加工臺(tái)階平緩(圖5),這樣在很大程度上提高了滾子的抗多沖交變載荷的能力。

圖5 新工藝?yán)鋽D滾子內(nèi)表面的微觀分析照片

從圖5所示的微觀分析照片上可以看出,由于滾子加工劃痕淺小,在其裂紋的生成過(guò)程中,由于摩擦表面的磨損使得原本淺小的劃痕減少,從而延緩了裂紋的生成,降低了擴(kuò)展過(guò)程的速率,大大提高了滾子抗高速多沖的能力。滾子的抗高速疲勞的能力可以用沖擊循環(huán)次數(shù)N來(lái)衡量：

式中,t為時(shí)間,h。

本次試驗(yàn)的汽車鏈滾子的沖擊循環(huán)次數(shù)已達(dá)N=1.37×107,而且尚未出現(xiàn)斷裂和掉塊現(xiàn)象,而傳統(tǒng)的冷擠滾子的沖擊循環(huán)次數(shù)通常為 N≤6.22×106,這表明了本次試驗(yàn)的國(guó)產(chǎn)鏈條的冷擠滾子零件已經(jīng)具有較高的多沖抗力,而且已被汽車主機(jī)廠認(rèn)可。

國(guó)外汽車鏈滾子的加工設(shè)備先進(jìn),滾子的制造精度很高,無(wú)明顯的縱向加工劃痕和橫向臺(tái)階,因此裂紋的萌生和擴(kuò)展較少,滾子的多沖疲勞抗力很高。圖6為日產(chǎn)06E-1汽車鏈在道路行駛試驗(yàn)前后滾子的微觀掃描圖片,由于其加工工藝先進(jìn),新滾子的內(nèi)表面并未見(jiàn)明顯的縱向加工劃痕,橫向臺(tái)階非常淺小。道路行駛試驗(yàn)29萬(wàn)公里后也難以看到擴(kuò)展的裂紋,在500倍電鏡掃描下,才可見(jiàn)有微小的加工劃痕。通過(guò)試驗(yàn)分析可知,改進(jìn)滾子的成形工藝、設(shè)備和模具,對(duì)提高滾子的多沖疲勞抗力是尤為重要的。

圖6 日產(chǎn)06E-1汽車鏈的冷擠滾子零件的內(nèi)表面微觀形貌圖片

2.2.2 卷制滾子

采用卷制工藝成形滾子,不僅可提高滾子的同軸度,而且滾子坯料的金屬纖維方向使其具有較高的多沖抗力,其有縫的結(jié)構(gòu)形式還具有緩沖和減振的功能。但卷制過(guò)程中容易在接縫周邊產(chǎn)生劃痕和局部展延,成為裂紋的萌生和擴(kuò)展源。

進(jìn)行微觀對(duì)比分析的是國(guó)產(chǎn)等溫淬火卷制新滾子,這種滾子在卷制過(guò)程中的擦傷表面宏觀可見(jiàn),對(duì)其接縫處進(jìn)行了微觀電鏡掃描,其微觀掃描圖片如圖7所示。這種滾子在接縫處周邊產(chǎn)生的劃痕及局部展延,必將成為裂紋萌生和擴(kuò)展源,對(duì)滾子的性能及壽命產(chǎn)生一定的影響。文獻(xiàn)[6]曾對(duì)國(guó)產(chǎn)卷制滾子的06BT-1鏈條進(jìn)行了微觀形貌分析,由于該鏈條滾子的卷制工藝很好,其接縫處周邊的劃痕很少,局部展延現(xiàn)象較輕,經(jīng)500h發(fā)動(dòng)機(jī)總成試驗(yàn)后,滾子的內(nèi)表面雖然已經(jīng)產(chǎn)生了疲勞點(diǎn)蝕的剝落坑和微小的裂紋,但尚未發(fā)現(xiàn)任何滾子零件有明顯的斷裂和掉塊現(xiàn)象,其沖擊循環(huán)次數(shù)已達(dá) N=3.19×107次,這表明了國(guó)產(chǎn)鏈條的卷制滾子零件已經(jīng)具有較高的多沖抗力。試驗(yàn)分析表明,對(duì)于卷制工藝,如果成形工藝合理(增加接縫兩端預(yù)彎工藝),在卷制滾子的接縫周邊不產(chǎn)生明顯的劃痕和局部展延,其有縫的結(jié)構(gòu)形式具有緩沖、減振的功能,因而不僅其多沖抗力可以滿足主機(jī)要求,而且與冷擠滾子相比,還具有降低傳動(dòng)噪聲的功效。

圖7 國(guó)產(chǎn)汽車鏈的卷制滾子零件的外表面微觀掃描圖片

從上述分析可知,只要成形原理和模具精度符合要求,兩種不同工藝成形的滾子均可以達(dá)到較高的多沖疲勞抗力,能夠滿足汽車鏈的使用工況。但大批量生產(chǎn)時(shí),宜采用冷擠滾子,可以降低成本;而量小,且要求具有較高的緩沖吸振性能及制造精度時(shí),建議采用卷制滾子。

2.3 滾子的外廓形狀

滾子在嚙合過(guò)程中將受到接觸載荷和沖擊載荷的作用,在載荷作用下將發(fā)生一定的彈性變形,合理設(shè)計(jì)滾子的外廓形狀,將有利于滾子變形后的受力,提高滾子的接觸疲勞強(qiáng)度和抗沖擊能力。在試驗(yàn)中,利用激光外徑在線檢測(cè)儀和千分尺對(duì)不同生產(chǎn)廠家的多種滾子進(jìn)行了多次測(cè)量,結(jié)果顯示滾子的外廓形狀不盡相同。在精確測(cè)量下,傳統(tǒng)的冷擠滾子外形多為錐形,其磨損外表面表現(xiàn)為一端磨損嚴(yán)重。主要原因是錐形滾子在成形時(shí),其大端正是產(chǎn)生橫向臺(tái)階的那一端(由沖底工藝形成的),而大端首先接觸鏈輪齒,不僅一端磨損嚴(yán)重,而更重要的是大端的受力狀態(tài)由于橫向臺(tái)階的存在,容易使大端產(chǎn)生早期裂紋源,并進(jìn)而擴(kuò)展,表現(xiàn)為掉塊、產(chǎn)生二次裂紋,直至滾子斷裂失效。而日產(chǎn)滾子的外形呈現(xiàn)明顯的腰鼓形,當(dāng)鏈條嚙入鏈輪時(shí),由于彈性變形使腰鼓形滾子變?yōu)閳A柱形,使?jié)L子與鏈輪全面接觸,對(duì)比其磨損外表面,表現(xiàn)為磨損均勻。因此,建議冷擠滾子外形采用腰鼓形,以提高滾子的抗多沖疲勞斷裂的能力。目前,雖然國(guó)內(nèi)的成形工藝設(shè)備還無(wú)法滿足要求,但有關(guān)冷擠設(shè)備的研究已經(jīng)展開(kāi),而且其研究方向在國(guó)際上也可借鑒。

3 結(jié)論

(1)為提高滾子零件的抗多沖能力,滾子零件應(yīng)該按照成形工藝的不同分別選擇：對(duì)于冷擠滾子,采用 20CrMnMo、20CrNiMo、35CrMo 等材料,并進(jìn)行滲碳或碳氮共滲處理工藝;而針對(duì)卷制滾子,可采用50CrVA、35CrMo、42CrMo等材料,并進(jìn)行整體等溫淬火。

(2)卷制滾子和冷擠滾子的成形工藝對(duì)于汽車鏈均是可行的,需結(jié)合設(shè)備和材料狀況而定。對(duì)于冷擠滾子,必須改進(jìn)冷擠設(shè)備和工藝,提高模具精度,減小乃至消除冷擠造成的加工劃痕及臺(tái)階。對(duì)于卷制滾子,應(yīng)增加接縫兩端預(yù)彎工藝,以改善接縫處的劃痕和局部展延問(wèn)題,從而提高滾子的多沖疲勞抗力。

(3)通過(guò)上述精確測(cè)量冷擠滾子的外徑尺寸,首次揭示了冷擠滾子的斷裂失效的潛在因素。建議冷擠滾子外形采用腰鼓形,以提高滾子的抗多沖疲勞斷裂的能力。

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