某乘用車手動變速器齒輪失效分析

曹華+鄧克旺

摘 要：手動變速器是乘用車動力總成的關(guān)鍵部件，本文針對某乘用車變速器倒擋齒輪失效的問題進(jìn)行分析，采用化學(xué)方法、機械性能檢驗方法、齒面分析、齒輪嚙合區(qū)分析等方法。結(jié)果表明變速器中引起齒輪失效的主要問題是齒輪發(fā)生剪切疲勞開裂，發(fā)生開裂的位置在于偏載齒面圓表面的夾雜物聚集區(qū)，分析齒輪的失效原因，引起失效問題的可能原因是齒輪受到過大載荷、載荷作用方向發(fā)生偏置以及齒輪表面有夾雜物的存在。

關(guān)鍵詞：齒輪；失效分析；疲勞

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.05.022

變速器是汽車傳動系統(tǒng)中重要裝置之一，其性能的優(yōu)劣對整車的性能有較大的影響，對乘用車的動力性、燃油經(jīng)濟性等有較大影響，因此在設(shè)計乘用車手動變速器結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定批量生產(chǎn)變速器之前，需要對變速器試樣做臺架實驗以及將變速器試樣安裝在實車上進(jìn)行路面測試來驗證變速器的可行性及實用性。在實驗測試過程中，反復(fù)多次進(jìn)行重復(fù)性實驗，來檢測所設(shè)計變速器的性能，分析實驗測試結(jié)果，優(yōu)化變速器結(jié)構(gòu)參數(shù)，提升變速器的性能，從而提高整車的性能。

1 齒輪失效問題

某乘用車在設(shè)計開發(fā)新車型過程中對一款新設(shè)計的手動變速器進(jìn)行臺架試驗，檢驗手動變速器在多次反復(fù)試驗測試下的性能以及是否發(fā)生異?，F(xiàn)象等，經(jīng)過多次反復(fù)的臺架實驗測試后停機，然后拆開變速箱課題檢查變速器內(nèi)部的零部件是否出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過多次重復(fù)性試驗后，變速器內(nèi)的倒擋齒輪發(fā)生了打齒失效的異常現(xiàn)象，其中失效形式是倒擋齒輪齒面發(fā)生疲勞開裂后碎片落在機組殼體底部，其他檔數(shù)的嚙合齒輪未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。

2 檢驗及分析

2.1 齒輪材料的元素檢測分析

將失效的倒檔齒輪從變速器中取出，用線切割技術(shù)切下開裂位置處少許的樣件，將樣件置于光譜儀中檢測樣件中各金屬元素的含量，并結(jié)合CS600碳硫分析儀測定樣件中碳、硫元素的含量，檢測結(jié)果表明C的含量為0.19%、Si的含量為0.22%、Mn的含量為0.82%，P的含量為0.01%，S的含量為0.01%，Cr的含量為1.09%，Ti的含量為0.08%，各元素含量均滿足技術(shù)要求，因此齒輪發(fā)生失效的原因并不是材料的問題。

2.2 熱處理質(zhì)量檢驗分析

在齒輪疲勞開裂的位置選擇磨損最小的部位，采用線切割技術(shù)取出樣品，然后分別使用180#、280#、400#、800#砂紙來打磨試樣，隨后對打磨后的試樣進(jìn)行粗拋和精拋，之后使用濃度為4%的硝酸酒精來腐蝕精拋后的試樣5s后，最后用純凈水清洗試樣并快速地將試樣吹干，至此完成金相試樣的試制，將制備好的試樣置于Ⅶ-5型維氏硬度計中檢測試樣表明的硬度以及有效硬化層深度，檢測結(jié)果表明金相組織成份為馬氏體和2級殘余奧氏體，滿足殘余奧氏體1-3級視為合格試樣的技術(shù)要求；心部硬度為353，滿足320-450的合格技術(shù)要求；表面硬度為720、滿足表面硬度≥680的合格技術(shù)要求；試樣的有效硬化層深度為0.54mm，滿足有效硬化層深度在0.40-0.70之間的合格技術(shù)要求，可知齒輪材料的熱處理工藝質(zhì)量都滿足技術(shù)要求，排除此項原因。

2.3 端口分析

對于失效倒擋齒輪的斷口位置，采用儀器SZX12型顯微鏡觀察失效齒輪斷口位置的形狀，在顯微鏡中看到失效齒輪的斷口形貌，由此可判斷導(dǎo)致齒輪失效的主要原因是剪切疲勞斷裂，引起齒輪失效的負(fù)載是呈線性變化，負(fù)載作用于齒輪的齒形與中間傳動軸嚙合側(cè)節(jié)圓部位的次表面，載荷的偏置造成此區(qū)域發(fā)生開裂，也是失效最為嚴(yán)重的區(qū)域。另外，在開裂最嚴(yán)重區(qū)域的附件區(qū)域失效的形貌為放射狀的裂紋。

2.4 齒輪嚙合區(qū)分析

為了放大齒輪嚙合區(qū)的形貌圖便于觀察分析失效的原因，同樣將失效的齒輪置于SZX12型顯微鏡下，失效齒輪的兩側(cè)齒面的形貌圖，由圖可見，失效齒輪與中間傳動軸嚙合處的右側(cè)齒面之間存在明顯的壓痕，該側(cè)的齒面磨損較嚴(yán)重，而另一側(cè)的齒形磨損量相對右側(cè)齒面的磨損明顯則較少。

2.5 電鏡檢測及能譜分析

利用超聲波清洗機和丙酮清洗劑來清洗失效的齒輪試樣，采用MERLIN Compact型長發(fā)射掃描電鏡對失效齒輪的斷口位置進(jìn)行檢測分析微觀方面的變化。由檢測結(jié)果可知失效齒輪的斷口位置有一塊呈現(xiàn)橢圓形的裂紋拓展區(qū)，產(chǎn)生這種裂紋形貌的原因是由于剪切疲勞引起這種失效形式，而且分析裂紋的分布狀態(tài)可知疲勞源是呈線性變化，而且疲勞源作用失效齒輪與中間軸嚙合側(cè)節(jié)圓位置的次表面。另外，通過電鏡觀察失效齒輪的微觀變化，可知在疲勞開裂區(qū)內(nèi)有許多呈顆粒狀的夾雜物分布在該區(qū)域，并且這些顆粒狀的夾雜物從該區(qū)域脫落后在齒面上殘留下一些小坑，這些小坑的存在影響了齒輪之間的嚙合效果，影響了手動變速器整體的性能。

分析失效齒輪區(qū)域內(nèi)顆粒狀夾雜物的來源，以及對失效齒輪疲勞開裂處周圍的基體進(jìn)行能譜分析，對顆粒狀夾雜物的能譜分析結(jié)果，由能譜圖可知顆粒狀夾雜物的主要成份是鋁和氧，而失效齒輪疲勞開裂處周圍基體的能譜，可知其主要成份為金屬成份錳和鐵元素，以及非金屬成份C元素。因此，可知在失效的倒擋齒輪與中間軸嚙合區(qū)域的顆粒狀夾雜物及其周圍的基體主要是氧化鋁。

3 結(jié)束語

基于上述的分析，乘用車手動變速器倒擋齒輪的失效形式為剪切疲勞開裂，發(fā)生失效的主要原因在于失效齒輪與中間軸嚙合處的節(jié)圓部分存在顆粒狀夾雜物以及其周圍的基體，經(jīng)能譜分析可知顆粒狀夾雜物的成分是氧化鋁，使齒面發(fā)生磨損，反復(fù)地進(jìn)行臺架實驗過程中失效齒輪疲勞開裂處的裂紋不斷擴展。

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