某車用變速器輸出軸齒輪斷齒失效原因分析

陳慧

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海201201）

0 引言

作為車輛重要的動力輸出零件，車用變速器輸出軸的最主要功能是傳遞動力；作為變速器中4個齒輪之一的輸出軸齒輪，是用以實現(xiàn)2級減速和增扭。動力由輸入軸輸入，經(jīng)若干擋變速變扭傳遞至輸出軸，最后由輸出軸齒輪與主減速齒輪的嚙合傳遞至差殼及半軸。要使輸出軸及輸出軸齒輪能承受各種力和扭矩，設(shè)計時，應(yīng)對其機械性能及顯微組織提出相應(yīng)的技術(shù)要求。

變速器工作時，輸出軸齒輪通過齒面接觸而傳遞動力，其齒面周期性地承受很大的接觸應(yīng)力，容易發(fā)生各種失效。齒輪嚙合時，2個齒輪的齒面發(fā)生相對滑動和滾動而產(chǎn)生摩擦，容易發(fā)生齒面磨損；在高速運轉(zhuǎn)條件下，如果接觸應(yīng)力過大，齒面滑動速度過高，齒輪間因摩擦而產(chǎn)生高溫，油膜被破壞，齒面易發(fā)生刮傷、膠著磨損、麻點剝落、硬化層剝落等失效形式。由于齒面承受較大的壓力，也容易發(fā)生齒面接觸疲勞破壞；而且齒輪的齒根處也承受很大的彎曲應(yīng)力，在彎曲應(yīng)力的反復(fù)作用下，齒輪會產(chǎn)生彎曲疲勞損壞，發(fā)生斷齒。此外，在車輛起動、急剎車或換擋時，齒輪還會受到?jīng)_擊載荷或短時間過載的作用，導(dǎo)致其齒斷裂，這種破壞形式危害最大。綜上所述，齒輪在工作時主要的失效形式有：各種形式的磨損與剝落、接觸疲勞、彎曲疲勞、齒根折斷等［1］。

本文對某輸出軸齒輪斷齒失效機理進(jìn)行分析和研究，并根據(jù)失效原因提出改進(jìn)優(yōu)化措施，為后續(xù)輸出軸的設(shè)計及工藝優(yōu)化提供借鑒與參考。

1 故障描述和宏觀分析

1.1 故障描述

本案的變速器輸出軸是簡單階梯中空軸類零件，輸出軸與軸上的斜齒輪為一體。在輸出軸進(jìn)行發(fā)動機全速全負(fù)荷臺架耐久試驗過程中，出現(xiàn)了臺架因扭矩超限而報警，停機后發(fā)現(xiàn)，輸出軸的斜齒輪出現(xiàn)了嚴(yán)重的斷齒故障。

1.2 宏觀分析

在臺架耐久試驗過程中，齒輪未見異常嚙合現(xiàn)象。對故障輸出軸進(jìn)行初步檢查發(fā)現(xiàn)，除齒輪段外的其它區(qū)域，包括花鍵段均未見明顯的機械損傷及異常磨損現(xiàn)象，如圖1所示。仔細(xì)檢查輸出軸齒輪段發(fā)現(xiàn)，齒輪上可見多個齒在齒根整體斷裂，一部分齒為部分?jǐn)嗔?，還有一部分齒可見擠壓破裂現(xiàn)象。

圖1 輸出軸外形及損傷形貌

對齒輪段橫向截取，觀察斷齒截面，其形貌如圖2所示。由圖2可見，在12點方向及9點方向各有3個齒在齒根處斷裂，兩者相隔1個未斷齒；斷裂面斜向分布，沿逆時針方向由齒根上部斜向朝齒根底部發(fā)展；在約4點鐘方向的齒斷面根部上分布著與在斷面上分布的相似走向裂紋，幾乎貫穿齒根底部，見圖中箭頭所指。這表明開裂起源于齒輪承載面根部過渡區(qū)。

圖2 斷齒截面形貌

連續(xù)斷齒的宏觀斷面形貌如圖3所示。由圖3可見，斷齒的斷面主要分布在齒根區(qū)域，且近左側(cè)端面方向；斷面大部分十分粗糙，而在下側(cè)方向的斷面邊緣可見相對平而細(xì)的弧形小平臺，并伴有輻射狀條紋，呈現(xiàn)斷面起源形態(tài)，見圖中箭頭所指；在右側(cè)方向，大部分?jǐn)嗝婊⌒蜗蛏戏植迹揖植渴墚惓D壓變形；上側(cè)與斷齒面相鄰的未斷齒根部可見與斷齒斷面分布相似的裂紋，弧形分布；最低區(qū)域處于齒根未磨削加工區(qū)，見圖中箭頭所指。

圖2中所示的是4點鐘方向的開裂齒，其承載齒面的裂紋分布形貌如圖4所示。由圖4可見，裂紋弧形分布，最低點處于齒根底部未磨削表面，在齒端部裂紋開口較大，往下約齒2／3處的裂紋弧形向上，發(fā)展得十分纖細(xì)，見圖4中箭頭所指。由以上宏觀分析可知，斷裂起源于承載齒面的齒根區(qū)域，且近斜齒先行嚙合端，斷面呈弧形月牙狀。除起源區(qū)較窄且較平坦外，其他區(qū)域均十分粗糙，初步推斷為疲勞開裂。這表明輸出軸在工作過程中受到較大的應(yīng)力作用［2-3］。

圖3 連續(xù)斷齒的宏觀斷面形貌

圖4 4點鐘方向裂紋宏觀形貌

2 失效機理分析

2.1 材料化學(xué)成分分析

輸出軸為外購件，材料為合金結(jié)構(gòu)鋼，其牌號為20MnCr5。對輸出軸齒輪失效部位的材料進(jìn)行化學(xué)成分檢測，結(jié)果如表1所示。由表1可知，輸出軸齒輪部位的材料符合零件的技術(shù)要求，排除供應(yīng)商在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)混料及材料誤用的低級錯誤。

表1 輸出軸齒輪化學(xué)成分分析

2.2 斷面掃描電鏡微觀分析

1點鐘方向的斷齒斷面主要起源段低倍形貌如圖5所示。斷面沿齒根分布，下側(cè)的斷面相對平而細(xì)，可見半月形弧形區(qū)，并可見由弧形區(qū)向內(nèi)擴(kuò)展的放射狀弧線，為起源區(qū)。高倍下，起源中心區(qū)域斷面有受擠壓擦傷現(xiàn)象，斷面呈準(zhǔn)解理 （一種斷口形貌術(shù)語）形貌，并可見平行分布的疲勞擴(kuò)展條紋，如圖6所示。次表層斷面高倍形貌如圖7所示，斷面呈沿晶開裂形貌，與齒表面滲碳淬火組織相對應(yīng)。斷面中部，高倍下可見平行、間隔分布的韌窩帶，與該區(qū)域帶狀組織分布相關(guān)，如圖8所示；斜向平行分布的木紋狀條紋呈現(xiàn)條狀夾雜物且沿縱向分布。終斷區(qū)形貌如圖9所示，斷面較粗糙、呈斜向分布。掃描電鏡微觀分析表明，齒輪表層均為與滲碳淬火層金相組織相對應(yīng)的沿晶形貌，擴(kuò)展區(qū)除準(zhǔn)解理形貌外，還可見疲勞輝紋及與帶狀組織相關(guān)的木紋狀形貌，表明齒輪是在較大應(yīng)力作用下疲勞開裂而最終斷裂的。

圖5 1點鐘方向斷齒低倍形貌 （×16）

圖6 斷面起始區(qū)高倍形貌 （×600）

2.3 金相組織分析

在圖2中3點鐘方向的斷齒部位取樣拋光，發(fā)現(xiàn)有2個齒的齒根也發(fā)生開裂［4］，其近齒端的橫截面在低倍下的拋光態(tài)形貌如圖10所示。由圖10可見，滲碳淬火層沿齒輪廓均勻分布，右齒齒根有1條裂紋，長達(dá)1／2齒根寬，相鄰的左齒齒根同樣可見開裂現(xiàn)象，長約1／4齒根寬。右齒開裂區(qū)域齒根表面分布有非馬氏體組織且有晶界氧化現(xiàn)象，裂紋由表面非馬氏體組織起源，沿晶狀曲折發(fā)展，長約0.06 mm；同時，還可見細(xì)小裂紋相伴分布，如圖11所示。相鄰左齒裂紋近表區(qū)域形貌如圖12所示，可見裂紋由表面起源的2條微裂紋匯合而成，并沿晶狀曲折發(fā)展。經(jīng)測定，斷齒附近的非馬氏體組織深度為11.5μm，如圖13所示，符合技術(shù)要求≤20μm的規(guī)定。

圖7 次表層斷面形貌 （×950）

圖8 斷面中部區(qū)高倍形貌 （×650）

圖9 終斷區(qū)低倍形貌 （×25）

在未斷裂齒節(jié)圓區(qū)域法向截面上，金相組織由表及里分布形貌如圖14所示。由圖14可見，表層金相組織分布均勻，近表層金相組織相對細(xì)小，近心部區(qū)域相對粗大。近表層金相組織為針狀馬氏體+殘留奧氏體+碳化物，馬氏體級別為6級，殘留奧氏體級別為1級，碳化物級別為1級；心部組織分布形貌組織為回火馬氏體。

圖10 3點鐘方向截面拋光態(tài)形貌

圖11 右齒齒根裂紋分布 （×100）

圖12 左齒齒根裂紋分布 （×500）

圖13 斷齒附近非馬組織形貌 （×500）

在斷齒節(jié)圓的縱向截面上，金相組織趨帶狀分布 （見圖15），與斷面發(fā)現(xiàn)的木紋狀形貌相互印證。對斷齒節(jié)圓縱向截面取樣，檢查原材料的帶狀組織狀態(tài)。按相關(guān)顯微組織檢查標(biāo)準(zhǔn)要求，先對樣品進(jìn)行退火處理 （850℃加熱、保溫1 h），然后進(jìn)行原材料帶狀組織評定，帶狀組織分布形貌見圖16所示。帶狀組織為鐵素體和珠光體相間分布的平行條帶［5］， 按 GB／T10561標(biāo)準(zhǔn) 《鋼中非金屬夾雜物含量的測定》B系列判定，其帶狀組織為3級。鋼齒輪行業(yè)對原材料帶狀組織要求通?！?級［6］，說明樣品帶狀組織已達(dá)上限。

帶狀組織的存在，表明材料內(nèi)部應(yīng)力沒有很好的連續(xù)性，在受力情況下，容易在應(yīng)力集中處萌生裂紋，并沿著帶狀組織方向拓展。帶狀組織對齒輪的切向沖擊性能有較大的影響，其本質(zhì)是鑄坯凝固時結(jié)晶造成的枝晶偏析，造成材料的各向異性，進(jìn)而降低材料的力學(xué)性能、切削性能、強韌性等［7］，同時會降低材料的橫向伸長率、斷面收縮率、沖擊韌性等，但對屈服及抗拉強度影響不大［8］。

圖14 齒節(jié)圓處由表及里形貌 （×100）

圖15 斷齒節(jié)圓縱截面組織分布形貌 （×200）

圖16 帶狀組織形貌 （×100）

2.4 硬度分析

輸出軸齒輪部位的硬度技術(shù)要求：有效硬化層深度［9］0.45 ～0.75 mm， 心部硬度 380 ～460 HV1。在未斷齒節(jié)圓區(qū)域的法向截面上由表及里測定維氏硬度梯度，結(jié)果如表2所示。

表2 由表及里硬度梯度

以550 HV1硬度為標(biāo)值測量并計算表面有效硬化層深度，結(jié)果為0.69 mm，符合技術(shù)要求；心部硬度測定結(jié)果為327 HV1、329 HV1和332 HV1，明顯偏低。

滲碳齒輪心部要求具有一定的硬度，心部硬度偏低會直接影響齒輪接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度。因為心部硬化是表面硬化層的支撐基礎(chǔ)，心部硬度偏低會導(dǎo)致材料屈服點降低，心部易產(chǎn)生過量塑性變形，進(jìn)而使齒輪表面硬化層抗剝落性能、齒根彎曲疲勞性能及承載能力降低，導(dǎo)致齒輪嚙合不良、卡死或斷齒。

2.5 X射線衍射殘余應(yīng)力分析

噴丸工藝能有效增加輪齒表面層的殘余壓應(yīng)力［10］。對齒根部位未斷齒及斷齒進(jìn)行X射線衍射殘余應(yīng)力對比分析，結(jié)果如表3所示。表3中“-”號代表壓應(yīng)力， “+”代表拉應(yīng)力。由表3可見，滲碳層殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力，并且隨著滲碳層深度的增加而增大，從側(cè)面反映了機加工工藝、噴丸工藝及磨削工藝未對齒輪表面應(yīng)力分布產(chǎn)生負(fù)面影響。在有效硬化層深度范圍內(nèi)，殘余壓應(yīng)力對材料的接觸疲勞強度及耐磨性都有裨益［11-12］。

表3 X射線衍射殘余應(yīng)力分析

綜合上述各項分析可以推斷，斷裂起源于承載面齒根，多源起始于汽車起動時的高應(yīng)力疲勞開裂。齒根區(qū)域處于應(yīng)力敏感區(qū)，材料中達(dá)上限的帶狀組織對齒輪早期開裂有較大負(fù)面作用；同時，齒輪心部硬度明顯不足，導(dǎo)致材料本身耐疲勞性能降低，不足以抵抗試驗過程中產(chǎn)生的大負(fù)荷、大應(yīng)力作用。臺架試驗中載荷未見異常波動，未發(fā)現(xiàn)明顯過載等情況，進(jìn)一步證實輸出軸齒輪齒面疲勞強度不足，使其在本來應(yīng)該承受的較大接觸應(yīng)力和沖擊載荷作用下由最薄弱區(qū)域產(chǎn)生裂紋，隨后在應(yīng)力作用下不斷擴(kuò)展至斷裂。

3 優(yōu)化改進(jìn)

為解決斷齒失效，提高輸出軸斜齒部位的疲勞強度等性能，首先需要解決心部硬度不足的問題?？紤]到齒輪心部幾乎沒有滲碳的作用，其硬度主要取決于原材料的淬透性及實際淬冷烈度，因此可以從原材料及熱處理工藝方面考慮，采用相應(yīng)措施提高心部硬度。

從原材料角度考慮，應(yīng)當(dāng)保證材料具有一定的淬透性。淬透性作為鋼齒輪的重要指標(biāo)之一，可以保證大小不同齒輪的心部硬度，也有利于控制齒輪熱處理變形。淬透性與齒輪心部硬度呈正相關(guān)關(guān)系，提高原材料的淬透性，可以提高心部硬度。從熱處理工藝角度考慮，心部硬度不足極有可能是因熱處理過程中淬火溫度不足或冷卻能力不夠造成的。在正常淬火熱處理過程中，理論上可以通過改變淬火溫度、保溫時間來調(diào)整心部硬度；同時，淬火冷卻介質(zhì)的冷卻特性是淬冷烈度的一個重要影響因素，決定著零件內(nèi)部組織的轉(zhuǎn)變，進(jìn)而影響齒輪心部硬度。因此，根據(jù)實際經(jīng)驗，適當(dāng)提高淬火溫度，采用冷卻速度更優(yōu)異的淬火介質(zhì)和提高攪拌速度，可以解決心部硬度不足的問題。

此外，對于帶狀組織達(dá)上限的分析結(jié)果，需要嚴(yán)格控制原材料的帶狀組織，將原材料驗收標(biāo)準(zhǔn)收緊至2級或更低水平，以保證成品質(zhì)量。

綜合以上分析，供應(yīng)商采取了4項優(yōu)化改進(jìn)措施，來解決變速器輸出軸斷齒失效問題：1）原材料進(jìn)廠帶狀組織要求收嚴(yán)至≤2級；2）提高材料的末端淬透性，淬透性指標(biāo)J10由30 HRC提高到34 HRC；3）結(jié)合實際情況，考慮到齒輪心部金相組織為正常的回火馬氏體，未出現(xiàn)鐵素體，故將熱處理的淬火溫度由910℃微調(diào)至920℃；4）采用冷卻速度更高的淬火介質(zhì)及方式，淬火油溫由（110±10）℃調(diào)整到 （60±10）℃， 冷卻攪拌速度由800 r／min調(diào)整到快速攪拌。

通過優(yōu)化措施和調(diào)整，齒輪心部硬度提高至400 HV1的穩(wěn)定水平，變速器輸出軸順利通過了嚴(yán)苛的臺架耐久試驗，未出現(xiàn)斷齒及其他失效。

4 結(jié)論

（1）變速器輸出軸齒輪斷齒是大應(yīng)力作用下源于承載面齒根，多源于汽車起動時的高應(yīng)力疲勞開裂。

（2）因心部硬度不足而造成材料耐疲勞等各項綜合性能降低，是發(fā)生斷齒疲勞失效的根本原因。同時，帶狀組織達(dá)上限對早期開裂亦有一定貢獻(xiàn)。

（3）提高原材料淬透性、提高淬火溫度及提高冷卻能力可以有效提高齒輪鋼的心部硬度，是解決問題的有效措施。