變速器滑桿失效分析

王 強(qiáng)

(上海匯眾汽車制造有限公司,上海 200122)

1 變速器滑桿及失效情況

本次研究的變速器滑桿材料為40Cr,采用淬火+回火的熱處理工藝。變速器滑桿由導(dǎo)桿、截止圓臺(tái)和螺紋段3部分組成,如圖1所示。圖1示出了未失效變速器滑桿和斷裂失效變速器滑桿,其斷裂部位位于螺紋段和截止圓臺(tái)的過(guò)渡處。圖2為滑桿在變速器里的裝配和工作示意圖。裝配時(shí)滑桿部分穿過(guò)回位彈簧和液壓柱塞相連,滑桿的截止圓臺(tái)在無(wú)液壓油推動(dòng)的情況下落座在定位圈中,滑桿螺紋裝配在變速器中的滑塊上,工作時(shí)液壓油推動(dòng)柱塞和滑桿往復(fù)運(yùn)動(dòng),并最終推動(dòng)變速器滑塊定位到工作位置。滑桿正常工作時(shí)在螺紋段和截止圓臺(tái)過(guò)渡處存在周期性的沖擊應(yīng)力。

圖1 完好滑桿和失效滑桿

2 斷口分析

2.1 斷口觀察分析

圖2 滑桿裝配和工作示意圖

首先用丙酮對(duì)失效滑桿的斷口進(jìn)行超聲波清洗,去除斷口上的油污和固體雜質(zhì)。然后在顯微鏡下對(duì)斷口進(jìn)行觀察,斷口顯示出斷裂面基本垂直于滑桿軸線。觀察斷口截面,疲勞裂紋擴(kuò)展充分,疲勞區(qū)大,瞬時(shí)斷裂區(qū)小,裂紋擴(kuò)展快。另外,圍繞斷裂處有放射狀的斷裂擴(kuò)展線。從斷口起始處開始到最后斷裂區(qū)之間有明顯的貝殼紋[1-2](圖3(a)),裂紋擴(kuò)展線和貝殼紋表明其有明顯的軸向拉壓疲勞斷裂特征。通過(guò)觀察斷裂起源點(diǎn)附近的表面可見明顯的撞擊痕跡(圖3(b)、圖3(c))和明顯的機(jī)加工刀紋線(圖3(d))。綜合止回座圈上的痕跡可以推斷,滑桿上的撞擊痕跡為滑桿和座圈撞擊導(dǎo)致。以下為了描述方便,斷口區(qū)域被分為A、B、C、D 4個(gè)部分。

2.2 微觀斷口分析

對(duì)斷口進(jìn)行了掃描電鏡觀察(SEM)(圖4),照片顯示在A區(qū)、B區(qū)和C區(qū)有疲勞條帶,在D區(qū)發(fā)現(xiàn)韌窩[2-3]。從A、B、C、D各部位的掃描照片可以觀察到裂紋起源區(qū)(A),擴(kuò)展區(qū)(A～D間)和斷裂區(qū)(D)。另外,從斷口上可見明顯的疲勞輝紋[2],由斷裂疲勞輝紋和擴(kuò)展紋方向及磨損程度判斷,裂紋起源于表面A部位并垂直于軸線,向滑桿內(nèi)部擴(kuò)展[3]。

圖3 宏觀斷口分析

圖4 微觀斷口分析

2.3 金相分析

將開裂件在裂紋起源位置切割樣塊,在相同位置取樣,之后進(jìn)行鑲嵌磨制拋光,用4%的硝酸酒精腐蝕[4]。圖5顯示了斷裂滑桿和完整滑桿的金相組織結(jié)構(gòu)對(duì)比,金相組織為回火索氏體+網(wǎng)狀或針狀鐵素體[4],這表明在滑桿中存在低硬度相。另外,從金相照片中可以觀察到顯微組織的均勻度不好。

圖5 斷口金相分析

圖6為螺紋牙型的顯微照片,顯示出螺紋根部直徑為0.11 mm,不滿足GB/T 197—2003中根部過(guò)渡圓角≥0.375 mm的要求。另外,從照片可以觀察到沿螺紋牙型分布的金屬流線,表明螺紋牙型是通過(guò)機(jī)加工成型的,而不是滾壓成型的,這會(huì)降低螺紋的抗疲勞能力[5]。

圖6 牙型顯微照片

圖7是滑桿的非金屬夾雜物照片,根據(jù)GB/T 10561—2005,斷裂滑桿的夾雜物評(píng)級(jí)為D類細(xì)系非金屬夾雜物0.5,D類粗系非金屬夾雜物0.5,完好滑桿的夾雜物評(píng)級(jí)為D類細(xì)系非金屬夾雜物1,D類粗系非金屬夾雜0.5[6-7]。

圖7 夾雜物顯微照片

2.4 化學(xué)成分分析

根據(jù)GB/T 3077—2015中40Cr鋼規(guī)定的控制元素對(duì)斷裂滑桿進(jìn)行了化學(xué)成分測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 斷裂滑桿化學(xué)成分

從測(cè)試結(jié)果可以看出滑桿的化學(xué)成分符合材料標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

2.5 力學(xué)性能分析

此滑桿的抗拉強(qiáng)度為685 MPa,力學(xué)分析如表2所示。

表2 變速器滑桿力學(xué)分析

3 綜合分析

從斷口表面所顯示的貝殼狀紋理和疲勞條帶表明此斷裂是典型的疲勞斷裂,一般來(lái)說(shuō),疲勞斷裂和產(chǎn)品質(zhì)量、工作條件、裝配和后期維護(hù)相關(guān)。化學(xué)成分和夾雜物檢測(cè)未見異常,均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。但不合理的顯微組織(鐵素體)導(dǎo)致了較低的材料強(qiáng)度,進(jìn)而降低了滑桿的疲勞抗力和疲勞壽命。另外,滑桿的熱處理方式、螺紋牙型采用機(jī)加工,以及滑桿表面的機(jī)加工切削紋路進(jìn)一步降低了疲勞抗力。

同時(shí),工作時(shí)滑桿承受循環(huán)的沖擊負(fù)荷,斷裂處附近的沖擊痕跡表明螺紋連接已產(chǎn)生松動(dòng),從而導(dǎo)致撞擊的產(chǎn)生。松動(dòng)也導(dǎo)致滑桿承受附加的剪切和彎曲負(fù)荷,導(dǎo)致裂紋更容易在應(yīng)力集中的部位產(chǎn)生和擴(kuò)展,最終導(dǎo)致滑桿斷裂。

4 結(jié)論與改進(jìn)方案

通過(guò)對(duì)失效破壞的變速器滑桿所進(jìn)行的化學(xué)、力學(xué)、金相等的多種檢測(cè),發(fā)現(xiàn)滑桿的失效模式為疲勞斷裂。疲勞斷裂起源于滑桿表面的加工刀痕或沖擊傷痕,在滑桿所受工作負(fù)荷下向內(nèi)部擴(kuò)展,直至造成滑桿的橫向斷裂。疲勞斷裂的主要原因在于不當(dāng)熱處理導(dǎo)致的低材料強(qiáng)度、不當(dāng)機(jī)械加工產(chǎn)生的表面刀痕,以及螺栓松動(dòng)引發(fā)的表面沖擊痕,這造成了可能的裂紋源。另外,螺紋連接松動(dòng)后不能正常落座帶來(lái)額外的異常沖擊,而滑桿低強(qiáng)度造成滑桿的疲勞抗力無(wú)法達(dá)到應(yīng)有的水平。

對(duì)滑桿的熱處理過(guò)程工藝文件和批次熱處理記錄進(jìn)行了調(diào)查,滑桿40Cr的熱處理工藝參數(shù)為840°C油淬+550°C回火,調(diào)整后淬火溫度提高到850°C,回火溫度降為520°C,另更換新高淬火能力的淬火液。通過(guò)批次試驗(yàn),經(jīng)過(guò)新熱處理的滑桿,屈服達(dá)到了710 MPa,滿足了要求。為了降低滑桿表面的應(yīng)力集中問(wèn)題,提高了滑桿加工表面光潔度的要求,從原來(lái)的Ra3.2降低到Ra1.6。為了改進(jìn)螺栓的松動(dòng)問(wèn)題,將滑桿螺紋和螺紋孔的配合公差由6H/6g改變?yōu)镠7/p6過(guò)盈配合,以起到防松的效果。

通過(guò)以上熱處理,加工表面粗糙度和螺紋配合公差的改進(jìn),更換了30臺(tái)變速器,其中4臺(tái)順利通過(guò)臺(tái)架2 000 h耐久測(cè)試,改進(jìn)達(dá)到了目的,其他的26臺(tái)更換變速器已經(jīng)重新裝車,1年的時(shí)間沒(méi)有出現(xiàn)滑桿斷裂的情況。