汽車變速器行星齒輪軸斷裂失效分析

■ 王令，李志華

差速器主要由差速器殼體、行星齒輪、半軸齒輪、從動錐齒輪、調(diào)整墊片、軸承以及行星齒輪軸等組成，行星齒輪軸的作用是將轉(zhuǎn)矩傳給行星齒輪，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩分配，從而使車輪實現(xiàn)差速運轉(zhuǎn)，在運行過程中，行星齒輪軸承受扭轉(zhuǎn)力和彎曲力。

1.情況描述

本文對變速器進行差速器耐久性試驗，檢測零部件使用壽命情況。試驗測試過程中，變速器出現(xiàn)異響，立即停止試驗，拆箱檢測后，發(fā)現(xiàn)差速器殼體破損，行星齒輪軸斷裂。行星齒輪軸材料為42CrMo，材料執(zhí)行標準GB/T 3077《合金結(jié)構(gòu)鋼》。為保證行星齒輪軸的耐磨性和疲勞強度，本文零件熱處理工藝：淬火+回火+表面氣體滲氮。

2.結(jié)果與討論

（1）宏觀分析 變速器進行差速器耐久性能試驗測試過程中發(fā)生異響，后進行拆箱分析發(fā)現(xiàn)行星齒輪軸斷裂，差速器已破損，如圖1所示，虛線箭頭標識處為斷裂行星齒輪軸。圖2為軸斷口的整體形貌，斷裂源位于圓周表面，且磨損嚴重，由外向內(nèi)擴展，終斷區(qū)位于軸中心區(qū)域。

（2）微觀分析 采用能譜分析儀（S P E C T R O/L A B LAVM10）對行星齒輪軸進行材料化學(xué)成分檢測，其檢測結(jié)果如表1所示，行星齒輪軸材料化學(xué)成分均符合GB/T 3077《合金結(jié)構(gòu)鋼》的技術(shù)要求。

圖1 失效的差速器總成

圖2 行星齒輪軸的斷口形貌

表1 行星齒輪軸的材料化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

表2 行星齒輪軸的硬度和金相組織

采用維氏硬度計（FUTURE-TECH/LC-200RB）測量斷裂行星齒輪軸的表面硬度、基體硬度，檢測前先用標準試塊進行校準；對斷裂軸的斷口進行金相取樣，經(jīng)鑲嵌、打磨、拋光、腐蝕后，采用光學(xué)顯微鏡（ZEISS/HAL100）進行顯微金相組織檢測，結(jié)果如表2所示，表面硬度、基體硬度、氮化層深、氮化物和脆性級別等均符合技術(shù)要求，但表面疏松達到4級，不符合技術(shù)要求，這直接導(dǎo)致零件表面強度下降，在使用過程易產(chǎn)生裂紋，降低零件的疲勞壽命。

圖3 表面金相組織（500×）

采用掃描電子顯微鏡SEM（EVO18）對斷口進一步分析，圖4為斷口裂紋源形貌，表面存在疲勞輝紋（見圖4b白色箭頭標識），且疲勞紋是沿著圓周方向擴展，在整個圓周方向上先形成一層裂紋，距表面大約1mm，主要原因是行星齒輪軸在變速器內(nèi)受旋轉(zhuǎn)扭力，且零件滲氮后表面形成一層氮化組織，脆性相對基體大；圖5和圖6分別為擴展區(qū)和瞬斷區(qū)SEM形貌，主要表現(xiàn)為解理斷口，表明零件受到外力較大，斷裂速度快；圖7、表3是裂紋源能譜檢測位置和結(jié)果，其中譜圖1、2、4檢測部位為氮化合物層區(qū)域，其中譜圖1和譜圖4區(qū)域可見明顯的大量孔隙，對其進行能譜分析，該區(qū)域的氧含量明顯大于譜圖2和譜圖3區(qū)域，且最靠近表面的譜圖4區(qū)域，含氧量最高，遠超過其他區(qū)域，表明零件滲氮后表面疏松區(qū)域被氧化，降低表面強度和疲勞性能，導(dǎo)致零件試驗過程中發(fā)生斷裂。

圖4 斷口裂紋源SEM形貌

表3 能譜檢測結(jié)果（質(zhì)量分數(shù)） （%）

圖5 斷口擴展區(qū)SEM形貌

圖6 斷口瞬斷區(qū)SEM形貌

圖7 斷口裂紋源能譜檢測位置

3.結(jié)語

行星齒輪軸滲氮后，表面化合物層疏松組織不合格，試驗過程中受到外力，形成裂紋源，并進一步向中心區(qū)域擴展導(dǎo)致完全斷裂。