某款變速器中間軸斷軸失效分析

程森，馬卓，宋萌萌，王成清

(浙江萬里揚(yáng)股份有限公司，浙江金華 321025)

0 引言

軸類零件失效與其設(shè)計剛性、材料、熱處理工藝以及載荷等密切相關(guān)。對失效工件進(jìn)行相關(guān)分析，并進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，達(dá)到使用要求，是產(chǎn)品質(zhì)量問題處理的最基本手段。文中即通過對失效工件的宏觀、微觀分析、理論計算后，擬出初步對策，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確定最佳的解決方案，形成解決此類型故障的思路和方法，供同行參考。

1 材料和熱處理工藝

某款變速器中間軸爬坡?lián)跆幵谂_架實(shí)驗(yàn)進(jìn)展到標(biāo)準(zhǔn)要求的25%時出現(xiàn)斷裂情況。此中間軸材料為20CrMnTiH材料，采用滲碳淬火熱處理方法，要求“硬化層深0.7～1.1 mm，表面硬度58～63HRC，心部硬度33～45HRC”。

2 理論計算模型的建立和計算

該款變速器基于MASTA計算模型2D視圖如圖1所示，計算條件如表1所示。

圖1 MASTA計算模型

表1 7TS60-WLY-100變速器MASTA計算輸入條件

計算結(jié)果如表2—表3所示。

結(jié)論：從計算的結(jié)果與同類產(chǎn)品的對比看，爬坡?lián)觚X輪副接觸疲勞強(qiáng)度相對偏弱；中間軸疲勞強(qiáng)度相對偏弱。

3 臺架實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 宏觀斷口形貌

經(jīng)過臺架實(shí)驗(yàn)，爬坡?lián)踹\(yùn)行55～60 min(進(jìn)展約25%)后，出現(xiàn)中間軸斷裂，其余擋通過臺架實(shí)驗(yàn)。

端裂位置發(fā)生在圖1所示中間軸的截面B，嚙合齒面未出現(xiàn)明顯的點(diǎn)蝕現(xiàn)象，端面比較平齊。斷裂件如圖2所示。

圖2 中間軸斷裂位置與斷裂處端面形狀

3.2 熱處理金相分析

表面硬度： 61.5HRC；心部硬度： 39HRC；硬化層深： 0.916 mm；M+Ar：3級；K：1級；非M：0.012 mm。

結(jié)論：符合要求。

3.3 材質(zhì)光譜分析

經(jīng)對故障件進(jìn)行材質(zhì)光譜分析，其各元素成分如下：

αC=0.221%，αSi=0.279%，αMn=0.922%，αP=0.008 2%，αS=0.008 8%，αCr=1.089%，αMo<0.010%，αNi=0.008 5%，αCu=0.031%，αAl=0.042%，αFe=97.20%。

結(jié)論：對照20CrMnTiH材料組織成分，符合要求。

4 原因分析與改進(jìn)措施

從上述理論計算，和金相、組織分析來看，中間軸斷裂比較異常，而且斷裂面并非發(fā)生在最薄弱的截面A處，斷口比較整齊，屬于脆性斷裂。

經(jīng)過總結(jié)分析，原因初步鎖定為：軸的剛性不足，加載時軸產(chǎn)生了撓曲，造成爬坡?lián)觚X輪副嚙合時接觸不良，其接觸面集中在爬坡?lián)觚X輪副的截面B側(cè)，所以中間軸截面B附近局部壓力大，首先局部被“啃傷”，進(jìn)一步削弱了中間軸此處的強(qiáng)度，然后造成斷裂。

針對以上原因分析，制定改進(jìn)措施如下：

(1)增加硬化層深度，硬化層深由0.7～1.1 mm，提升一個規(guī)格，調(diào)整為1.0～1.3 mm；

(2)對二軸爬坡?lián)觚X輪進(jìn)行齒向“錐形”修形，改善加載后嚙合時的接觸狀態(tài)。通過MASTA計算后的修形量如表4和圖3所示。

表4 爬坡?lián)觚X輪微觀修形參數(shù)

圖3 通過MASTA計算的修形量

5 試驗(yàn)與驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)方法：采用機(jī)械封閉變速器疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)臺，兩臺變速器背靠背安裝，靠加載電機(jī)一側(cè)的為主試箱，另一臺為陪試箱。加載電機(jī)對主試箱的輸入扭矩為480 N·m，轉(zhuǎn)速為1 680 r/min 。

實(shí)驗(yàn)狀態(tài)及對應(yīng)結(jié)果如表5所示。

經(jīng)試驗(yàn)結(jié)果顯示，L4狀態(tài)最佳。

表5 實(shí)驗(yàn)狀態(tài)及對應(yīng)結(jié)果

6 結(jié)論

對于類似此例變速器中間軸斷裂問題，主要是由于齒面載荷分布異常形成了中間軸上的強(qiáng)度缺陷，從而導(dǎo)致異常斷裂。因而解決問題的最佳思路是通過“加深軸的硬化層深度”以及“對嚙合齒輪進(jìn)行齒輪修形”，以提高齒面的實(shí)際強(qiáng)度和受力時的嚙合狀態(tài)，避免失效問題的產(chǎn)生。加深軸的硬化層深度時，也不得過深，要考慮齒頂淬透的危險。

齒向修形時，首先要注意修形方向，如此例中由于中間軸最大撓曲量在中部，故修形后，初始未加載嚙合時，嚙合面接觸在A側(cè)，加載后才可保證A-B側(cè)整個齒面基本全嚙合；其次要注意修形量，修形量與載荷強(qiáng)相關(guān)，一般是先通過MASTA進(jìn)行修形模擬計算，再通過臺架實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，并通過觀察臺架失效件的齒輪嚙合面的接觸處磨損情況，進(jìn)行微調(diào)得出最佳修形量。