某型汽車(chē)變速箱中間軸失效分析

李俊，張春華，劉紅，沈超

（1.國(guó)家汽車(chē)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心[襄陽(yáng)]，襄陽(yáng)441004；2.韶關(guān)飛翔自動(dòng)變速箱有限公司，韶關(guān)512000）

某型汽車(chē)變速箱中間軸失效分析

李俊1，張春華2，劉紅1，沈超1

（1.國(guó)家汽車(chē)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心[襄陽(yáng)]，襄陽(yáng)441004；2.韶關(guān)飛翔自動(dòng)變速箱有限公司，韶關(guān)512000）

通過(guò)宏觀斷口、硬度測(cè)定、金相組織分析、生產(chǎn)工藝等的檢查，對(duì)失效變速箱中間軸斷裂原因進(jìn)行了分析和研究。結(jié)果表明失效中間軸斷裂的原因主要出現(xiàn)在熱處理過(guò)程的控制和校正后的零件檢查兩環(huán)節(jié)上。熱處理設(shè)備密封性能差容易導(dǎo)致熱處理的零件質(zhì)量不穩(wěn)定，同時(shí)在校正后工藝流程缺少探傷檢查環(huán)節(jié)，導(dǎo)致有裂紋缺陷的零件最終流入了成品庫(kù)。

中間軸、疲勞試驗(yàn)

李 俊

武漢理工大學(xué)機(jī)械工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)畢業(yè)，現(xiàn)任國(guó)家汽車(chē)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（襄陽(yáng)）總成試驗(yàn)室主管工程師，主要研究方向?yàn)閭鲃?dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)研究。

某型汽車(chē)變速箱在進(jìn)行總成疲勞壽命臺(tái)架試驗(yàn)過(guò)程中，在進(jìn)行2檔疲勞壽命試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)齒輪異響現(xiàn)象，拆檢發(fā)現(xiàn)變速箱中間軸出現(xiàn)斷裂。該變速箱2檔疲勞試驗(yàn)實(shí)際循環(huán)次數(shù)為20萬(wàn)次，未達(dá)到試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求的200萬(wàn)次循環(huán)次數(shù)，初步判定為樣件早期失效。為分析其根本失效原因，本文主要從試驗(yàn)條件及力學(xué)分析、硬度測(cè)定、金相組織分析、加工工藝、零件結(jié)構(gòu)等方面對(duì)失效零件進(jìn)行了分析和研究。該中間軸材料及熱處理工藝為：

(1) 材料：20CrMnTi 。

(2) 熱處理工藝：滲碳淬火。

(3) 熱處理要求：有效硬化層深度為（0.84 ～1.35）mm，表面硬度為（58～63）HRC,芯部硬度為(35～45) HRC。

1 檢測(cè)方法及結(jié)果

1.1 粗視分析

斷裂部位在中間軸2檔齒輪與1檔齒輪之間，斷口邊緣無(wú)明顯塑性變形，呈疲勞斷裂，斷面位于中間軸1檔齒輪齒寬方向靠近齒輪出刀位末端。斷口部位見(jiàn)圖1，斷面見(jiàn)圖2。

1.2 試驗(yàn)條件及力學(xué)分析

該變速箱在進(jìn)行總成疲勞壽命試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)扭矩和試驗(yàn)轉(zhuǎn)速均按試驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行，試驗(yàn)采用排檔一次試驗(yàn)循環(huán)的試驗(yàn)方式，試驗(yàn)規(guī)范規(guī)定試驗(yàn)檔位為2檔、3檔、4檔，變速箱失效時(shí)正在進(jìn)行2檔試驗(yàn)。同時(shí)在變速箱失效前，變速箱及試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)未發(fā)現(xiàn)異常情況。

在排除試驗(yàn)臺(tái)狀況、試驗(yàn)準(zhǔn)備等干擾因素后對(duì)變速箱失效中間軸進(jìn)行力學(xué)分析。從圖3中間軸試驗(yàn)工況受力示意圖可以分析出，該變速箱中間軸在失效斷口位置處不承受該軸傳遞的扭矩，只承受輸入軸常嚙合齒輪和輸出軸2檔齒輪對(duì)中間軸產(chǎn)生的彎矩。同時(shí)從結(jié)構(gòu)上重新校核斷口位置的設(shè)計(jì)應(yīng)力值，該應(yīng)力值滿足理論要求，因此初步排除中間軸力學(xué)設(shè)計(jì)的缺陷。

1.3 硬度測(cè)定

對(duì)失效中間軸失效部位的表面及心部進(jìn)行了洛氏硬度測(cè)試，其結(jié)果見(jiàn)表2 。由結(jié)果可以看出，硬度也符合技術(shù)要求，但是表面硬度值有點(diǎn)偏高。

表2 中間軸表面及心部硬度值檢驗(yàn)結(jié)果

1.4 金相組織分析

在失效中間軸斷口位置取金相試樣，金相試樣經(jīng)磨制后，在顯微鏡400倍放大倍數(shù)下觀察了斷口處的金相組織，其結(jié)果見(jiàn)表3。其中碳化物金相圖見(jiàn)圖4，殘余奧氏體及馬氏體金相圖見(jiàn)圖5，心部組織圖見(jiàn)圖6。由結(jié)果可以看出，碳化物和殘余奧氏體及馬氏體檢測(cè)符合技術(shù)要求，但是技術(shù)等級(jí)有點(diǎn)偏高。

表3 中間軸金相組織檢驗(yàn)結(jié)果

但是在顯微鏡下觀察到失效斷口處的齒面上有3條細(xì)裂紋，裂紋深度在（0.4～0.6）mm，齒面裂紋見(jiàn)圖7。

為更好地分析失效斷口處齒面上觀察到的裂紋是在中間軸失效過(guò)程中形成的還是中間軸本身就存在這樣的缺陷，需要對(duì)同一批次未進(jìn)行試驗(yàn)的成品中間軸進(jìn)行抽檢并對(duì)齒面進(jìn)行探傷檢測(cè)。采用著色法探傷進(jìn)行抽檢，抽檢結(jié)果顯示有部分樣件存在齒面裂紋的情況。為了進(jìn)一步分析原因，選取了一件齒面有裂紋的成品中間軸進(jìn)行了硬度和金相組織分析檢驗(yàn)。齒面有裂紋成品中間軸的著色法探傷檢測(cè)照片見(jiàn)圖8，硬度檢驗(yàn)和金相組織分析檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，碳化物金相圖見(jiàn)圖9，殘余奧氏體及馬氏體金相圖見(jiàn)圖10，心部組織圖見(jiàn)圖11。

表4 硬度檢測(cè)和金相組織分析檢驗(yàn)結(jié)果

從表4結(jié)果可以看出，失效中間軸的同一批次的成品還存在齒面裂紋的缺陷及碳化物、殘余奧氏體、馬氏體不合格等問(wèn)題。

1.6 中間軸校正工藝復(fù)查

中間軸屬于長(zhǎng)軸系零件，在熱處理過(guò)程中容易變形，需要對(duì)熱處理后的成品進(jìn)行尺寸檢測(cè)，檢測(cè)不合格的產(chǎn)品需要進(jìn)行校正。中間軸的校正方法及要求為：對(duì)試樣進(jìn)行三點(diǎn)測(cè)量，如果三個(gè)點(diǎn)中的同軸偏差超過(guò)0.5 mm，就必須進(jìn)行校正。校正的工藝為人為對(duì)零件進(jìn)行下壓，使偏差減小，直到滿足技術(shù)要求為止。經(jīng)復(fù)查該項(xiàng)工藝正常。

1.7 中間軸結(jié)構(gòu)與表面粗糙度以及磨齒工藝

在設(shè)計(jì)中間軸時(shí)，1檔齒輪存在滾刀出刀位區(qū)域，1檔齒輪齒面滾刀出刀位處表面粗糙度為Ra6.3。查閱磨齒工藝得知，1檔齒輪齒面的磨削余量為(0.3～0.35) mm，每次進(jìn)刀量均不大于0.04 mm，磨削后1檔齒輪齒面粗糙度為Ra0.8。同時(shí)1檔齒輪磨削齒面與滾刀出刀位區(qū)域之間是平滑過(guò)渡的斜面，不存在應(yīng)力集中的情況。

2 分析與總結(jié)

通過(guò)對(duì)失效樣件宏觀分析發(fā)現(xiàn)，斷口邊緣無(wú)明顯塑性變形，裂紋經(jīng)過(guò)的地方呈現(xiàn)疲勞帶，可以判斷為疲勞斷裂[1]。出現(xiàn)這樣的情況是由于失效部位齒面裂紋受到循環(huán)的彎矩作用，裂紋尖端處反復(fù)進(jìn)行銳化和鈍化，如此重復(fù)就產(chǎn)生了疲勞帶。

通過(guò)對(duì)失效樣件及抽檢樣件進(jìn)行硬度測(cè)定、金相組織分析、生產(chǎn)工藝的檢查，分析得出失效樣件斷裂的原因主要出現(xiàn)在熱處理過(guò)程的控制和校正后的零件檢驗(yàn)兩個(gè)環(huán)節(jié)：

（1）失效樣件同一批次的中間軸在進(jìn)行滲碳淬火時(shí)使用井式爐，這種熱處理爐的密封性能差容易導(dǎo)致熱處理的零件質(zhì)量不穩(wěn)定，從同一批樣件的碳化物與殘余奧氏體、馬氏體的含量差別較大可以體現(xiàn)出來(lái)。

（2）由于中間軸零件屬于長(zhǎng)軸系零件，熱處理工藝控制不嚴(yán)格容易產(chǎn)生變形，變形的零件在校正中容易造成局部應(yīng)力集中并進(jìn)一步產(chǎn)生裂紋。

（3）中間軸在進(jìn)行校正流程后，工藝流程缺少探傷檢測(cè)環(huán)節(jié)，導(dǎo)致有裂紋缺陷的零件最終流入了成品庫(kù)。

針對(duì)上述失效原因，結(jié)合樣品生產(chǎn)廠家的實(shí)際情況提出如下改進(jìn)建議：

（1）更換熱處理設(shè)備，建議將井式爐更換為密封箱式爐。提高中間軸的熱處理質(zhì)量及穩(wěn)定性。

（2）加強(qiáng)對(duì)產(chǎn)品的檢驗(yàn)質(zhì)量控制，在工藝流程中增加探傷檢測(cè)抽檢環(huán)節(jié)，提高入庫(kù)成品中間軸的合格率。

樣品生產(chǎn)廠家采納了上述建議并實(shí)施完成了技術(shù)改進(jìn)，改進(jìn)后的中間軸零件的質(zhì)量顯著提高，中間軸在變速箱2檔進(jìn)行200萬(wàn)次循環(huán)次數(shù)試驗(yàn)后未出現(xiàn)損壞，同時(shí)變速箱順利通過(guò)了疲勞臺(tái)架壽命試驗(yàn)。

[1] 鐘群鵬, 趙子華.斷口學(xué)[M].高等教育出版社, 2009

專(zhuān)家推薦

鄧祖國(guó)：

對(duì)變速器中間軸在臺(tái)架疲勞試驗(yàn)中的早期斷裂，進(jìn)行了研究和分析，查明了失效原因，提出了改進(jìn)建議。試驗(yàn)驗(yàn)證表明，提出的改進(jìn)措施十分有效。本文的分析和總結(jié)對(duì)類(lèi)似的工作有較好的借鑒作用。

The Failure Analysis of Certain Auto Gearbox Intermediate Shaft

LI Jun1, ZHANG Chun-hua2, LIU Hong1, SHEN Chao1
（1.National Automobile Quality Supervision And Test Center [Xiangyang], Xiangyang 441004; 2. Shaoguan Future Auto Transmission Co.,Ltd, Shaoguan 512000）

By the checking of macroscopic fracture surface, hardness testing, metallographic analysis, production process, etc., the reason why the gearbox intermediate shaft fractured is analyzed and researched. The results show that the failure of the intermediate shaft fracture mainly because of the heat treatment process control and the parts check after calibration in the two aspects. The poor pressurize performance of heat treatment equipment easily leads to unstable quality parts of heat treatment. At the same time, the process lacks the check links of flaw detection after calibration, resulting in cracks defective parts finally flowed into the finished products warehouse.

Intermediate Shaft; Fatigue Test

TG157

A

1005-2550（2015）06-0061-03

10.3969/j.issn.1005-2550.2016.01.012

2015-08-10