汽車后橋齒輪斷齒缺陷分析

高永強(qiáng)

鄭州華威齒輪有限公司 河南鄭州 452374

目前，國(guó)內(nèi)外汽車后橋齒輪主要的失效形式，如皮卡、貨車的齒輪失效，50%以上是斷齒，其中有一部分是由于車輛超載造成的，還有一部分是齒輪在制造或者在裝主減總成時(shí)，由于齒輪副的安裝尺寸誤差或沒(méi)有調(diào)整好安裝距產(chǎn)生齒輪副嚙合精度不好，從而造成車輛在行駛過(guò)程中出現(xiàn)打齒失效。但對(duì)齒輪失效的分析，多數(shù)限于分析材料及熱處理指標(biāo)等方面的原因，沒(méi)有分析如滲碳層硬度梯度及裝配等方面的原因。本文針對(duì)滲碳層硬度梯度及裝配等方面進(jìn)行分析，最終確定齒輪斷齒失效的原因。

車輛在正常行駛時(shí)，底盤下部突然出現(xiàn)咔咔異響，車輛停駛。經(jīng)拆解后發(fā)現(xiàn)，該后橋從動(dòng)齒輪出現(xiàn)兩處約6個(gè)輪齒打齒。該齒輪行駛里程為1152km，材料為20CrMnTiH，齒輪主要加工過(guò)程為：圓鋼下料→鍛造成型→等溫正火→機(jī)械加工→滲碳→淬火→拋丸→研齒。輪齒齒面，表面滲碳，深度0.9～1.3mm，滲碳表面硬度58～64HRC，心部硬度32～45HRC。與相配齒輪配對(duì)檢查著色印痕，要求印痕位置在齒寬方向中間偏小端，印痕長(zhǎng)度為齒寬的40%～60%，印痕高度為齒高的50%以上，并要求配對(duì)研磨后在主、從動(dòng)齒上刻上配對(duì)號(hào)。

通過(guò)對(duì)主動(dòng)錐齒輪斷口進(jìn)行宏觀和微觀分析，確定其斷裂的性質(zhì)，對(duì)齒輪的金相檢驗(yàn)、表面硬度、心部硬度及有效硬化層等的檢驗(yàn)等，確定齒輪的斷裂原因。

斷齒缺陷及宏觀特征

經(jīng)對(duì)主動(dòng)、從動(dòng)錐齒輪觀察發(fā)現(xiàn)，主動(dòng)錐齒輪偏大端有擠壓、掰齒的現(xiàn)象，掰齒的部位主要集中在主動(dòng)錐齒輪的大端偏齒頂，并且靠近大端齒面的齒輪接觸摩擦的痕跡較深。從動(dòng)齒輪的損壞形式主要是斷齒失效，并且齒輪工作面齒槽部位有擠壓金屬留下的痕跡。

失效部位檢查

1.主動(dòng)錐齒輪檢查

由主動(dòng)齒輪失效圖片（見(jiàn)圖1和圖2）可以看出，主動(dòng)錐齒輪在偏大端齒頂一側(cè)有多個(gè)輪齒都有不同程度的齒頂斷齒現(xiàn)象，并且靠近大端齒輪嚙合摩擦痕跡較深，個(gè)別輪齒工作面還有硬物刮傷痕跡。

圖1 主動(dòng)齒輪及斷裂部位宏觀形貌

圖2 主動(dòng)齒輪切割部位及擦傷宏觀形貌

2.從動(dòng)錐齒輪檢查

從圖3和圖4所示的斷口可以看出，從動(dòng)錐齒輪主要是斷齒失效的形式，并且錐齒輪工作面齒根處和部分?jǐn)帻X表面上有碾壓金屬留下的痕跡，痕跡起始位置在錐齒輪的工作面一端。在斷齒相鄰的完整齒的工作面上有摩擦擠壓的痕跡，并隱約看到接觸區(qū)幾乎覆蓋整個(gè)工作面。

圖3 從動(dòng)齒輪及斷裂部位宏觀形貌

圖4 從動(dòng)齒輪切割部位及齒面擠傷宏觀形貌

斷口分析

將該失效的主、從動(dòng)齒輪經(jīng)超聲波清洗后，利用掃描電鏡對(duì)斷口的斷面形貌進(jìn)行分析。

1.主動(dòng)錐齒輪斷口掃描電鏡檢測(cè)結(jié)果

通過(guò)對(duì)主動(dòng)錐齒輪大端齒頂斷口形貌進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)：主動(dòng)錐齒輪工作面有嚴(yán)重的擠壓變形的痕跡，靠近輪齒表面為沿晶斷裂并有連續(xù)裂紋，主要為撕裂和冰糖狀沿晶的混合斷裂，如圖5所示；心部為韌窩斷裂特征，沿晶脆斷為主，如圖6所示。

圖5 工作面放大后形貌

圖6 心部斷裂形貌

2.從動(dòng)錐齒輪斷口掃描電鏡檢測(cè)結(jié)果

通過(guò)對(duì)從動(dòng)錐齒輪斷口形貌進(jìn)行檢測(cè)分析發(fā)現(xiàn)：靠近嚙出端齒根凹槽處有擠壓的痕跡，斷裂仍為沿晶斷裂并有連續(xù)狀的裂紋（見(jiàn)圖7），心部為解理斷裂的特征（見(jiàn)圖8），說(shuō)明該從動(dòng)齒輪在斷齒時(shí)受到較大的沖擊力影響。從動(dòng)錐齒輪靠近表面有MnS類夾雜物，如圖9和圖10所示，靠近從動(dòng)齒輪嚙入端的齒面受正常的沿齒面的齒輪傳動(dòng)力，靠近嚙出端齒面除受正常的傳動(dòng)力以外，還有一個(gè)與之有夾角的力的雙重折疊力的影響。

圖7 齒根處受擠壓特征

圖8 心部解理斷裂特征

圖9 靠近齒面MnS類夾雜物

原材料成分與金相

對(duì)失效的主、從動(dòng)齒輪的金相和硬度分別進(jìn)行檢測(cè)分析。

1）主動(dòng)錐齒輪化學(xué)成分檢測(cè)，見(jiàn)表1。

表1 化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

2）主動(dòng)錐齒輪內(nèi)在質(zhì)量檢查，見(jiàn)表2。

表2 主動(dòng)錐齒輪金相檢驗(yàn)分析結(jié)果

3）主動(dòng)錐齒輪金相檢驗(yàn)。通過(guò)對(duì)主動(dòng)錐齒輪進(jìn)行化學(xué)成分和內(nèi)在質(zhì)量檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，主動(dòng)錐齒輪材料符合GB3077—2015技術(shù)要求；齒輪熱處理質(zhì)量節(jié)圓處和齒根處有效硬化層深度分別為1.2mm和0.8mm，符合技術(shù)要求（節(jié)圓：0.9～1.3mm；齒根：0.75～1.15mm），合格（見(jiàn)圖11和圖12）。但是發(fā)現(xiàn)主動(dòng)齒輪靠近齒頂部分有二次淬火和二次回火的現(xiàn)象，如圖13所示。

圖11 主動(dòng)齒輪節(jié)圓處硬度梯度曲線

圖12 主動(dòng)齒輪齒根處硬度梯度曲線

4）從動(dòng)錐齒輪化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

5）從動(dòng)錐齒輪內(nèi)在質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 金相檢驗(yàn)分析結(jié)果

6）從動(dòng)錐齒輪金相檢驗(yàn)結(jié)果如圖14～圖17所示。

圖14 齒頂金相組織（200X）

圖15 齒頂金相組織（400X）

圖16 節(jié)圓金相組織（200X）

圖17 齒根金相組織照片（400X）

7）從動(dòng)錐齒輪硬度梯度檢測(cè)曲線如圖18所示。

圖18 從動(dòng)錐齒輪硬度梯度曲線

通過(guò)對(duì)從動(dòng)錐齒輪進(jìn)行化學(xué)成分和內(nèi)在質(zhì)量檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，從動(dòng)錐齒輪材料符合GB3077-2015技術(shù)要求，合格；齒輪熱處理質(zhì)量節(jié)圓處和齒根處有效硬化層深度分別為1.2mm和1.0mm符合技術(shù)要求（節(jié)圓：0.9～1.3mm；齒根：0.75～1.15mm），金相組織也合格。

但在從動(dòng)齒輪的接觸區(qū)邊緣有二次淬火和二次回火的白亮區(qū)，法向截面測(cè)定各區(qū)域硬度如下：外表面白亮區(qū)790H V0.3、789H V0.3（相當(dāng)于63.5～64.0HRC）；白亮區(qū)內(nèi)側(cè)回火區(qū)576HV0.3、580HV0.3（相當(dāng)于53.8～54.1HRC）；回火區(qū)內(nèi)側(cè)702HV0.3、709HV0.3（相當(dāng)于60.2～60.7HRC）。

分析與討論

經(jīng)過(guò)對(duì)后橋主動(dòng)錐齒輪和從動(dòng)錐齒輪進(jìn)行的一系列檢查（包括接觸區(qū)、斷口形貌、化學(xué)成分、熱處理質(zhì)量等）發(fā)現(xiàn)，齒輪失效的主要原因是接觸區(qū)未調(diào)整好，或雖調(diào)整好但未能保持造成的。

齒輪失效的過(guò)程如下：由于主、從動(dòng)錐齒輪接觸區(qū)未調(diào)整好，并且主動(dòng)錐齒輪載荷偏大端，造成主動(dòng)錐齒輪和從動(dòng)錐齒輪嚙合不良，使主動(dòng)錐齒輪大端受力過(guò)大，該齒面接觸應(yīng)力超過(guò)了材料的剪切強(qiáng)度極限，齒面材料進(jìn)入塑性狀態(tài)。主、從動(dòng)錐齒輪承載面一側(cè)的白亮層正是這種過(guò)量變形導(dǎo)致溫度升高，引發(fā)自淬火的結(jié)果。通過(guò)檢測(cè)白亮區(qū)的硬度發(fā)現(xiàn)白亮層的硬度高63.5～64.0HRC，內(nèi)應(yīng)力大、脆性大、易剝落，形成齒輪的早期剝落失效。在受到?jīng)_擊載荷的作用時(shí)，齒面剝落，并伴有裂紋的擴(kuò)展最后引發(fā)齒輪發(fā)生隨機(jī)斷齒等惡性失效情況。

從動(dòng)錐齒輪有效硬化層深度內(nèi)有MnS類夾雜物，也是加速?gòu)膭?dòng)錐齒輪失效的一個(gè)原因。

結(jié)語(yǔ)

1）該齒輪副斷裂為彎曲疲勞斷裂，且輪齒發(fā)生彎曲疲勞斷裂與主動(dòng)錐齒輪大端受力過(guò)大有關(guān)。

2）裝配時(shí)主齒安裝距由于調(diào)整不當(dāng)，導(dǎo)致齒輪嚙合接觸區(qū)偏離設(shè)計(jì)要求，出現(xiàn)嚙合偏載，齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中齒面接觸應(yīng)力超過(guò)了材料的屈服強(qiáng)度極限。

3）嚴(yán)格控制差檢殼的主從動(dòng)齒輪安裝位置的垂直度及偏置距誤差，保證后橋主動(dòng)、從動(dòng)錐齒輪的安裝位置。

4）提高材料的純凈度，最大限度地減少非金屬夾雜物等影響因素。