汽車變速器卡環(huán)斷裂失效分析

■ 王令，李志華

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發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的心臟，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力必須經(jīng)過傳動(dòng)系統(tǒng)才能驅(qū)動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，而傳動(dòng)系統(tǒng)的心臟則是變速器，手動(dòng)變速器便是其中一種類型。而手動(dòng)變速器主要由操縱換檔機(jī)構(gòu)，齒輪，殼體，同步器機(jī)構(gòu)等180個(gè)左右零件組成，每臺(tái)變速器基本上用到5個(gè)左右的卡環(huán)，作為變速器的一個(gè)小緊固件，卡環(huán)主要功能是調(diào)整間隙，固定齒輪、齒轂、軸承等零件，一旦失效，相對應(yīng)的其他零件就會(huì)竄動(dòng)，導(dǎo)致整個(gè)變速器失效，汽車無法工作。

1.情況描述

本文對變速器進(jìn)行總成耐久性試驗(yàn)，檢測零部件使用壽命情況。試驗(yàn)測試過程中，臺(tái)架發(fā)現(xiàn)振動(dòng)超差，立即停止試驗(yàn)，拆開檢測后，發(fā)現(xiàn)齒輪接觸異常，卡環(huán)發(fā)生斷裂?？ōh(huán)材料為彈簧鋼60Si2MnA，卡環(huán)工藝：退火鋼板→下料→沖壓→淬回火→切口→雙面磨削→振動(dòng)去毛刺→磷化→檢驗(yàn)→包裝→發(fā)貨，卡環(huán)淬回火既能保證表面耐磨性和強(qiáng)度，也能保證韌性。

2.結(jié)果與討論

（1）宏觀分析 由圖1可知，發(fā)生斷裂卡環(huán)的其他位置嚴(yán)重磨損。由圖2可知，在右側(cè)裂紋源端附近存在沖壓工藝留下的撕裂坑，虛線箭頭方向?yàn)榱鸭y擴(kuò)展方向。

（2）化學(xué)成分分析 采用能譜分析儀對卡環(huán)進(jìn)行材料化學(xué)成分檢測，其檢測結(jié)果如附表所示，卡環(huán)材料化學(xué)成分均符合GB/T 1222《彈簧鋼》技術(shù)要求。

圖1 斷裂的卡環(huán)

圖2 卡環(huán)的斷口宏觀形貌

（3）硬度分析 采用維氏硬度計(jì)對斷裂失效的卡環(huán)測量其基體硬度，檢測前先用標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行校準(zhǔn)，技術(shù)要求為540～610HV，實(shí)測576HV、588HV、569HV，說明熱處理后硬度滿足要求。

卡環(huán)的材料化學(xué)成分 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（4）金相組織分析 對斷裂卡環(huán)的斷口進(jìn)行金相取樣，經(jīng)鑲嵌、打磨、拋光、腐蝕后，應(yīng)用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行顯微金相組織檢測，由圖3可知，熱處理后的金相組織為馬氏體+殘留奧氏體，符合技術(shù)要求。

圖4 卡環(huán)斷口裂紋源SEM形貌

圖3 基體組織（500×）

（5）斷口分析 采用掃描電子顯微鏡SEM（EVO18）對斷口進(jìn)一步分析，圖4為卡環(huán)斷口裂紋源形貌圖，斷口存在弧形應(yīng)力擴(kuò)展臺(tái)階（見圖4a），此處斷口較平整，呈現(xiàn)放射狀條紋，放射源即為裂紋源（見圖4b），對此處采用能譜進(jìn)行檢測（見圖4c），應(yīng)力臺(tái)階處譜圖1部位被檢測出含有17.9%的氧，不含磷，而譜圖2部位（非應(yīng)力臺(tái)階區(qū)域）含氧量為0，這表明卡環(huán)磷化后某個(gè)過程中已產(chǎn)生裂紋，卡環(huán)在疲勞耐久試驗(yàn)過程中繼續(xù)受到軸向力的情況，裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，斷口呈現(xiàn)出沿晶和穿晶斷裂，如圖5所示，最終零件在斷裂源的另外一側(cè)完全斷裂開來，如圖6所示，斷口存在大量韌窩。

3.結(jié)語

卡環(huán)斷裂是由于內(nèi)部存在原始裂紋，在試驗(yàn)時(shí)，成為裂紋源，促使裂紋沿原始裂紋方向擴(kuò)展而導(dǎo)致斷裂。

圖6 卡環(huán)斷口瞬斷區(qū)SEM形貌