某車型變速器齒轂開裂分析

摘要：針對某型汽車變速器耐久試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)齒轂開裂的原因進(jìn)行分析。通過宏觀觀察、尺寸檢查、金相檢驗(yàn)、硬度測試、化學(xué)成分分析、SEM分析及有限元分析等檢測和分析方式，結(jié)合齒轂的功能和受力情況，對齒轂開裂原因做了相關(guān)分析。

關(guān)鍵詞：齒轂；粉末冶金；開裂；疲勞裂紋源

隨著汽車NVH性能要求不斷提升，對同步器的要求也在不斷提高。質(zhì)量輕、精度高、耐磨性好的粉末冶金齒轂得到了越來越多的應(yīng)用。P750型變速器為麥格納動(dòng)力總成（江西）有限公司新開發(fā)的變速器，采用了粉末冶金齒轂。在進(jìn)行耐久試驗(yàn)時(shí)，拆箱檢查發(fā)現(xiàn)不能正常分離同步器齒轂齒套，進(jìn)一步拆解發(fā)現(xiàn)齒轂U形槽口出現(xiàn)裂紋。隨后開展一系列的分析，確認(rèn)導(dǎo)致齒轂開裂的原因并采取對應(yīng)的措施解決該問題。

問題提出

在P750變速器開發(fā)階段，耐久試驗(yàn)箱運(yùn)行至46%循環(huán)時(shí)出現(xiàn)齒轂齒套不能正常分離的故障。拆箱檢查發(fā)現(xiàn)齒轂U形槽處開裂，如圖1所示。該齒轂材料為D32，工藝路線為“成形-燒結(jié)-回火-整形-檢驗(yàn)”。

理化檢驗(yàn)

拆出齒轂，從宏觀、微觀、物理、化學(xué)和尺寸等方面對齒轂和斷口做進(jìn)一步的檢查和分析。

1.宏觀觀察

裂紋自U形槽起始，到達(dá)腹板根部，幾乎延伸至下一個(gè)U形槽，如圖2所示。

2.金相檢驗(yàn)

在斷口處取金相試樣檢驗(yàn)，其組織為馬氏體+富鎳奧氏體+貝氏體，無異常，如圖3所示。

3.硬度和密度檢測

斷口處取樣檢測硬度，要求≥300HV5，實(shí)測結(jié)果合格，檢測數(shù)據(jù)見表1。

齒轂密度要求為（7.1±0.1）g/mm3，實(shí)測7.069～7.095g/mm3，符合要求。

4.SEM分析

打開斷口，使用SEM對斷口形貌做檢查分析（見圖4）。裂紋源區(qū)有燒結(jié)頸和疲勞輝紋，未發(fā)現(xiàn)其他缺陷；裂紋擴(kuò)展區(qū)可見燒結(jié)頸和疲勞輝紋；瞬斷區(qū)可見燒結(jié)頸和韌窩，整個(gè)斷面未發(fā)現(xiàn)有生坯形貌，如圖5所示。結(jié)合斷面的疲勞輝紋和零件工況，零件是在臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)發(fā)生的疲勞斷裂，疲勞源位于U形卡槽端面的倒角處。

5.尺寸檢驗(yàn)

對齒轂相關(guān)尺寸做檢查，現(xiàn)有能檢測的尺寸均合格。

對齒轂U形槽做放大檢查，發(fā)現(xiàn)槽口表面存在數(shù)量較多的毛刺，如圖6所示。

U形槽表面存在的毛刺會(huì)導(dǎo)致表面材料不完成、不連續(xù)并增加粗糙度值，成為應(yīng)力集中源，降低疲勞極限，導(dǎo)致疲勞斷裂[1]。

有限元分析

齒轂強(qiáng)度的有限元分析結(jié)果如圖7所示。齒轂應(yīng)力最大處為花鍵根部和U形槽，但其安全應(yīng)力值低于材料屈服強(qiáng)度（588MPa），結(jié)構(gòu)和材料強(qiáng)度能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

綜合分析

綜合上述理化檢驗(yàn)、受力和結(jié)構(gòu)分析，該齒轂的材料、熱處理、結(jié)構(gòu)均滿足設(shè)計(jì)要求。導(dǎo)致U形槽開裂的原因可能為表面的毛刺缺陷引起應(yīng)力集中，在交變應(yīng)力作用下成為疲勞裂紋源，最終引起齒轂疲勞失效。

改進(jìn)措施

結(jié)合上文分析可能的失效原因，安排同批次的齒轂做噴砂去毛刺處理[2]，100%目視和輪廓檢查U形槽表面后再安排裝機(jī)耐久試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果見表2，齒轂經(jīng)噴砂處理后均通過耐久試驗(yàn)且檢查無裂紋。據(jù)此，齒轂供應(yīng)商增加噴砂工序或者其他解決毛刺的措施。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫智，任耀劍，隋艷偉.失效分析-基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017.

[2] 吳松，陳其玲，馬少波，等.粉末冶金零件毛刺的產(chǎn)生原因與去除技術(shù)[J].山東冶金，2014，36（4）：4-6.