汽車后橋弧齒錐齒輪失效分析

鄭州華威齒輪有限公司 （河南 452370）高永強(qiáng)

齒輪副信息如下：

（1）問(wèn)題描述：車輛行駛時(shí)后橋異響，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)主減速器主從動(dòng)錐齒輪打齒且被齒基背（見斷裂圖1～圖4）。

（2）車型：越野車型。

（3）發(fā)生故障時(shí)行駛里程：30000km。

（4）失效模式：主被動(dòng)齒輪斷裂；被齒基背斷裂。

一、斷口宏觀分析

圖1 后橋包

圖2 小塊

圖3 半螺孔

圖4 大端頭掉塊

該齒由于齒形復(fù)雜、參數(shù)眾多、工況多樣（前進(jìn)一正轉(zhuǎn)，倒車一反轉(zhuǎn)，加、減速），使其受力復(fù)雜多變（力的方向大小均變），使分析起來(lái)難度大大增加。

裂紋分析：斷裂分兩部分，即斷齒和基背斷裂。

1.斷齒

從小塊說(shuō)起（見圖2小塊和圖4大端頭掉塊）。從螺孔分半處起記S-1逆時(shí)針排列見圖5。S1～5為主，另半孔在相鄰大塊上一齒為L(zhǎng)-28。S-11與L-1為同一齒分?jǐn)嘣趦蓧K上（見斷裂圖6掉塊）。

L-28的斷裂起源小端凹面齒根圓角處，在反轉(zhuǎn)時(shí)生成。與S-1、S-2為一組，L-28屬牽連性破壞。S-1、S-2的破壞從大端起。正轉(zhuǎn)時(shí)（前進(jìn)），齒輪的凸面為工作面，第一步先產(chǎn)生大端頭約5mm長(zhǎng)的掉角（塊），斷口粗糙，裂紋源位于齒根大端的凸面圓角處，該外是彎曲應(yīng)力最大的部位。由于較大的沖擊造成掉塊（角），其裂紋發(fā)展方向符合彎曲應(yīng)力斷齒的一般規(guī)律。掉塊后又繼續(xù)運(yùn)行之后才產(chǎn)生了S-1斷齒，而S-1起源于凸面齒根，且徑向力指向中心，軸向力從錐頂下壓均與目前撕裂脊一致。因S-1斷裂繼續(xù)正轉(zhuǎn)造成停車，當(dāng)齒輪凹面嚙合（收油時(shí)），造成L-28斷裂，它也起源于凹面齒根圓角彎曲應(yīng)力最大處。這里反轉(zhuǎn)的破壞順序依次為：S-5、S-4和S-3。而L-28處斷齒可能在最后或最先。

當(dāng)發(fā)生故障后由于慣性，車?yán)^續(xù)前行（此時(shí)被齒為主動(dòng)），即被齒凹面工作。軸向力從錐頂指向底面，徑向力從圓心指向大端外圓。S-3斷齒起源大端側(cè)內(nèi)弧面（凹）齒根圓角附近，幾乎為全齒寬。其金屬撕裂脊的方向與S-1斷口不同，S-4、S-3僅是“掉角”，而S-5僅大端凹面齒頂受到撞擊尚未斷開。因斷裂時(shí)速度快，沖擊大及齒頂滲碳層深，所以其撕裂脊很淺。這時(shí)的工作切向力、徑向力、軸向力作用點(diǎn)在S-4，S-5位置對(duì)S-1處斷口形成彎曲，使基背從1號(hào)螺孔處斷裂。并向上翹起，同時(shí)徑向力剪斷2號(hào)、3號(hào)螺栓，造成齒背S-11處斷口。S-4、S-3這種大塊“掉角”式斷裂與沖擊有關(guān)，是支撐不穩(wěn)、嚙合失常的表現(xiàn)。

S-1齒根中心的撕裂脊（嶺）發(fā)展完整，是心部塑性好的表現(xiàn)。兩側(cè)可見滲層（經(jīng)檢測(cè)滲碳層為1.05mm），達(dá)到技術(shù)要求0.9～1.3mm。而S-3、S-4斷齒偏齒頂，這里尺寸薄，已是低碳馬氏體，且速度快撕裂脊較淺，其方向與S-1的斷口明顯不同。

2.基背斷裂

最終斷裂在基背。小塊有兩斷口，S-1處的斷口是主要的，S-11斷口是牽連性的。這時(shí)應(yīng)是倒車過(guò)程，螺栓1早已松脫，凹面工作。軸向力向從錐頂指向底面，徑向力由圓心指向大端，彎曲應(yīng)力也使齒根受彎曲產(chǎn)生的拉應(yīng)力。隨著主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，該力的方向在不斷變化，工作點(diǎn)越接近螺孔徑向面，該齒圈上翹越高，導(dǎo)致一次性脆斷。最終外側(cè)下方開裂。由于螺孔影響撕裂脊稍有彎曲，而S-11側(cè)的斷面隨著2號(hào)及3號(hào)螺栓斷裂而脆斷，裂紋源位于圖的主源處。小塊隨之甩出，小塊S-1附近斷口在匹配的大塊斷口上留下了向上向外的痕跡，分別是切向力和徑向力作用的結(jié)果。整個(gè)斷過(guò)程向外偏移達(dá)約8°之多。

基背的斷口粗糙，半螺孔處的斷口是主要的，而S-11附近斷裂是牽連性的。裂紋均起源于內(nèi)圓齒根拐角處，表明存在過(guò)負(fù)荷沖擊應(yīng)力，斷口接近脆斷。環(huán)向位于螺孔處，其抗彎曲、抗剪切的截面較小，是應(yīng)力最大的位置。沖擊應(yīng)力是由于螺栓松脫，支撐不穩(wěn)造成的。

二、金相及硬度

由于該被動(dòng)齒輪軸材料為20CrMnTiH，經(jīng)滲碳淬火+回火，回火后該平面表面硬度要求為58～64HRC；滲碳層要求為0.9～1.3mm，經(jīng)檢測(cè)該斷裂的螺紋表面硬度為62.1HRC、61.5HRC、63.8HRC。其表面金相組織為針狀馬氏體（M）+殘留奧氏體組織，該組織屬滲碳淬火組織。該齒輪心部硬度為35.5HRC、35.0HRC、26.1HRC，心部硬度在技術(shù)要求32～45HRC之內(nèi)。心部組織為低碳馬氏體組織，采用金相法測(cè)得滲碳層為1.05mm，在技術(shù)要求0.9～1.3mm之內(nèi)。

三、受力分析

1.擦痕

大端齒頂有一約8mm寬的環(huán)向擦痕帶，從痕跡辨別應(yīng)是向前進(jìn)時(shí)造成的。說(shuō)明倒車時(shí)已經(jīng)形成，在S-1斷裂前后齒輪嚙合已不正常，產(chǎn)生嚴(yán)重干涉。這當(dāng)然與支撐狀態(tài)不好關(guān)系密切，也正是支撐失穩(wěn)的反映。S-11、L-1及L-2、L28齒頂均有雙向擠擦的痕跡，正是正、反向運(yùn)轉(zhuǎn)的證明。且L-2凹面有剝落的痕跡尺寸約8mm×5mm×0.1mm。L-3齒頂凹面距大端約7mm處有一條約3mm×3mm撞擊痕跡，均證明凹面接觸（倒車）時(shí)經(jīng)歷過(guò)破壞過(guò)程。因其他齒的凸、凹面上均未見點(diǎn)蝕痕跡，排除接觸應(yīng)力造成破壞的可能。斷裂見圖6～圖9。

2.接觸痕跡

圖5

總體說(shuō)齒面接觸正常，且凹面接觸更顯均勻，這與徑向力向外，軸向力向底面的擠壓有關(guān)。大端也顯示受力的痕跡。凸面大端留有加工刀痕，類似正態(tài)分布。根據(jù)嚙合原理，這顯示出該齒輪并未過(guò)多出現(xiàn)大負(fù)荷運(yùn)行。齒頂淺些表明曾出現(xiàn)過(guò)高負(fù)荷運(yùn)行。

3.小齒輪破壞

由于主動(dòng)輪僅掉一齒，說(shuō)明：主齒斷裂不是破壞主要原因；速度不高；高速下因小齒輪負(fù)荷重，轉(zhuǎn)速高，均選用較好的材料及工藝制造。高速下其失效往往是連續(xù)打齒，隱現(xiàn)出事故時(shí)可能是在倒車。小齒輪的破壞更不會(huì)引起大齒圈斷裂。另外，小齒輪一旦先失效。由于傳動(dòng)比i=4.22，此時(shí)應(yīng)在大齒圈四處區(qū)域有損壞反應(yīng)，大輪齒頂外環(huán)干涉擦痕全部都有，也排除了這種可能。

4.斷齒位置

從齒圈安裝整體看，即從半軸一側(cè)看斷齒，斷齒區(qū)在最易偏斜的一側(cè)，如以12～6點(diǎn)時(shí)鐘位置為軸分析，斷口位于4點(diǎn)處，而3點(diǎn)處是最佳破壞作用點(diǎn)，正是S4-S5位置。而對(duì)3～9點(diǎn)的軸則抗偏擺的剛度大大增加。

所以該齒圈破壞與螺栓松脫有關(guān)，螺栓松脫由連接件螺孔偏心或垂直不好造成。螺釘安裝后在運(yùn)行中振動(dòng)及變負(fù)荷的作用下會(huì)損壞止退墊片引起松脫。從而引起支撐不穩(wěn)，帶來(lái)沖擊及過(guò)負(fù)荷，造成斷齒及齒圈斷裂。

5.支撐架孔內(nèi)螺紋

S塊底座上有3個(gè)螺孔（見圖3半螺孔），從背后看，S1處半螺孔編為1號(hào)，尚有順時(shí)針2號(hào)、3號(hào)。共計(jì)12個(gè)螺栓把齒圈固定到支座上。每?jī)蓚€(gè)為一組，1號(hào)與2號(hào)一組，用一個(gè)止退墊片鎖死。支座（斷裂圖片圖7差速殼）上1號(hào)通孔及3號(hào)通孔內(nèi)均有約180°內(nèi)螺紋，長(zhǎng)度在約10螺距以上。顯示聯(lián)接件支座通孔或直徑偏小或偏心或與錐齒輪螺孔不同心，或螺孔中心與底座平面垂直度不好等。

（1）連接時(shí)用等徑螺栓，即φy（桿）=Mx。按機(jī)械原理這種狀態(tài)，預(yù)緊力加不上。錐齒輪底面根本靠不緊底座的支撐面，極易引起螺栓松脫。各螺栓的預(yù)緊力相差很大，各段支撐不平，齒圈會(huì)產(chǎn)生彎曲動(dòng)應(yīng)力而翹曲。由于止退墊片圓周上受力不勻，極易損壞失去止退性能。螺栓因振動(dòng)或承受倒車時(shí)的拆卸扭矩等而松脫（一般前進(jìn)時(shí)緊固扭矩上升）。

（2）采用柔性桿螺栓：即φy＜Mx（底徑），即使如此，由于偏心、垂直度不好等也會(huì)造成墊片受壓在圓周上不勻，止退性能下降而失效，從而造成螺栓松脫，或斷裂，引起齒圈斷裂。

另外，螺栓應(yīng)松脫了很長(zhǎng)時(shí)間，未找到螺栓殘骸，可能長(zhǎng)時(shí)間在后橋包內(nèi)碰撞已面目皆非，只?！皻?jiān)保ㄒ妶D1）。在大塊保留的半螺孔上，其牙形破壞。螺孔的內(nèi)側(cè)（小徑）螺紋斷面碰傷擠壓嚴(yán)重，并有兩牙向上彎曲。而外側(cè)（大徑）側(cè)有幾牙變形，也說(shuō)明其螺栓先脫而齒圈基背后斷，且小塊的斷口是斷裂瞬時(shí)向上（錐頂）向外側(cè)運(yùn)動(dòng)的。

（3）螺栓松脫還與安裝有關(guān)。工人習(xí)慣從時(shí)鐘0～12點(diǎn)安裝（或逆時(shí)針），這樣簡(jiǎn)單省事，但往往造成誤差向一側(cè)積累而形成支撐最薄弱環(huán)節(jié)。似重要安裝，以12、6、3、9……順序?yàn)楹?，可以保證螺栓預(yù)緊力均勻，齒圈底面接觸均勻，支撐穩(wěn)定。

四、結(jié)語(yǔ)

（1）本齒輪斷裂分兩部分：斷齒和齒背斷裂。均屬異常破壞。正常破壞是長(zhǎng)期運(yùn)行后造成彎曲應(yīng)力疲勞破壞或接觸應(yīng)力造成的點(diǎn)蝕剝落破壞。

圖6 大塊

圖7 差速殼

圖8 基背斷口

圖9 半螺孔處斷口

本案例中，第一，斷齒：由彎曲應(yīng)力過(guò)大或沖擊造成斷齒。正反向運(yùn)轉(zhuǎn)分別起源點(diǎn)為凸面及凹面的齒根圓角處，這里應(yīng)力集中較大。由于支撐不平衡，隨著使用周期的加長(zhǎng)而越發(fā)嚴(yán)重，加劇了齒的嚙合時(shí)沖擊及負(fù)荷，從而導(dǎo)致斷齒。經(jīng)過(guò)掉角至全齒斷裂。由于正、反運(yùn)轉(zhuǎn)，才有齒的雙向斷裂。其破壞的周期較短，大范圍仍在“低周”（疲勞）破壞內(nèi)。

第二，齒背斷裂：齒背的斷裂是一次性脆斷，發(fā)生在兩齒根間圓角的應(yīng)力集中最大位置。但其裂紋是向下、向外圓約45°方向發(fā)展。而S-1螺孔處的抗彎，抗剪切的截面是最小的。由于作用在S-3、S-4等齒的切向力、軸向力、徑向力等的雙向彎曲造成。同時(shí)向外剪斷（當(dāng)然還有拉應(yīng)力）第2、3號(hào)螺栓，及S-11附近的最終斷裂。小塊齒圈甩出。

（2）齒輪破壞與1號(hào)螺栓松脫有關(guān)，這由S-1處斷口擠擦痕跡證明。螺栓的松脫才能在此截面造成“弱化”。否則把1號(hào)螺栓（在孔內(nèi)時(shí)），當(dāng)全鍵一樣的縱向剪斷幾乎是不可能的。

（3）螺栓松脫造成支撐不穩(wěn)定，是過(guò)應(yīng)力及沖擊的來(lái)源。螺栓松脫非一日之功，是長(zhǎng)期運(yùn)行的結(jié)果——外因。而內(nèi)因是對(duì)中性、垂直度不好等及支座（差還殼）孔上的螺紋共同造成的。

（4）齒圈上雙向擠擦痕證明破壞過(guò)程中有雙向轉(zhuǎn)動(dòng)。

（5）該裂紋源均屬結(jié)構(gòu)尺寸改變?cè)斐?，齒的裂紋源為線源，更與結(jié)構(gòu)因素關(guān)系密切。