變速箱高速齒輪斷齒原因分析及優(yōu)化

（江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330000）

某變速箱高速齒輪設(shè)計扭矩為220N·m，為產(chǎn)品平臺化，通過改進工藝來增加設(shè)計扭矩，使該變速器承扭能力提升為230N·m，但適用車型的最大扭矩也是230N·m，沒有設(shè)計余量。變速箱高速齒輪通過了整車耐久試驗，但在變速箱換擋試驗專項試驗中出現(xiàn)斷齒事故，累計完成試驗95.01%，累計完成換擋循環(huán)數(shù)15 202 個（要求16 000 個），工況里程24 935km，斷齒照片如圖1 所示。對此，本文通過對該斷齒齒輪進行化學成分分析、宏觀分析、微觀組織分析、設(shè)計結(jié)構(gòu)分析，尋找斷齒原因和對應(yīng)的解決措施。

圖1 變速箱高速齒輪斷齒

1 變速箱高速齒輪斷齒的原因

變速箱高速齒輪斷齒故障主要從化學成分分析、宏觀分析、微觀組織分析、設(shè)計結(jié)構(gòu)分析等方面進行問題剖析[1-3]。

1.1 化學成分分析

變速箱高速齒輪材質(zhì)技術(shù)要求為20CrMnTiH，直讀光譜儀檢測。測試結(jié)果如表1 所示，斷齒變速箱高速齒輪化學成分中C、Si 質(zhì)量分別為0.5%、0.28%，含量不符合設(shè)計要求，化學成分不滿足設(shè)計要求為齒輪斷裂原因之一。

表1 斷齒齒輪化學成分（質(zhì)量分數(shù)）

1.2 宏觀分析

1）變速箱高速齒輪的硬度分析。齒輪硬度要求主要包括表面硬度、心部硬度二個方面。對斷齒齒輪進行硬度測試，測試結(jié)果如表2 所示，表面硬度、心部硬度分別是61HRC、35HRC,符合設(shè)計要求，因此，可以排除齒輪硬度不足這一潛在原因。

表2 斷齒齒輪硬度測試結(jié)果

2）變速箱高速齒輪的低培組織分析。低培組織就是在低培狀態(tài)下觀察到的宏觀組織形貌，需要滿足QC/T262GB1979，要求：酸浸觀察無肉眼可見的縮孔、氣泡、裂紋、夾雜物、分層、翻皮及白點；一般疏松≤2 級、中心疏松≤2 級、偏析≤2 級。測試結(jié)果如表3 所示，測試值均滿足設(shè)計要求，因此，可以排除低培組織不滿足設(shè)計要求這一潛在原因。

表3 斷齒齒輪低培組織測試

1.3 微觀組織分析

1）變速箱高速齒輪的有效硬化層深分析。齒輪的有效層深設(shè)計要求是0.7mm～1.1mm，有效硬化層深測試結(jié)果如表4 所示，測試值為0.91，滿足設(shè)計要求。因此，可以排除齒輪有效硬化層深不滿足設(shè)計要求這一潛在原因。

表4 斷齒齒輪有效硬化層深測試結(jié)果

2)變速箱高速齒輪的金相組織[4]。馬氏體、殘余奧氏體、碳化物、表面非馬組織是齒輪主要的滲層組織，需要滿足QC/T262-1999 的要求，其中馬氏體、殘余奧氏體的級別需要滿足1～5 級，碳化物級別需要滿足1～4 級，表面非馬組織級別需要滿足<0.02mm。

除了滲層組織，對心部組織也有相應(yīng)要求，需要滿足JB1673-75 要求，主要由M 板或M 板+B 組成，允許有≤4級的F 存在。

對斷齒齒輪進行金相組織測試，測試結(jié)果如表5 所示，測試值均滿足設(shè)計要求，因此，可以排除金相組織不滿足設(shè)計要求這一潛在原因。

表5 斷齒齒輪金相組織測試結(jié)果

3)變速箱高速齒輪的非金屬夾雜物、帶狀組織，晶粒度分析。非金屬夾雜物、帶狀組織、晶粒度是評價齒輪強度的重要指標[5]。非金屬夾雜物主要包括硫化物、氧化鋁、硅酸鹽、球類氧化物等，需要滿足GB/T10561-2005 要求，且分別針對顆粒物分為粗細兩種分析；帶狀組織需要滿足GB/T132995 要求，帶狀組織級別≤3 級；晶粒度需要滿足GB/T63945 要求，晶粒度級別≥5 級。對斷齒齒輪進行非金屬夾雜物、帶狀組織、晶粒度測試，測試結(jié)果如表6 所示，測試值均滿足設(shè)計要求，因此，可以排除非金屬夾雜物、帶狀組織、晶粒度不滿足設(shè)計要求這幾個潛在原因。

表6 非金屬夾雜物、帶狀組織、晶粒度測試結(jié)果

1.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

圖2 斷齒齒輪接觸斑點試驗

從圖1 齒面工作情況看，總體接觸良好但還有個別齒的接觸不好。對斷齒齒輪接觸斑點試驗[6]，如圖2 所示，斷齒齒輪接觸應(yīng)力為1 437MPa，而該齒輪的接觸應(yīng)力設(shè)計值為1 200MPa，因此，齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理為潛在的失效原因。

2 分析結(jié)果

通過化學成分分析、宏觀分析、微觀組織分析、設(shè)計結(jié)構(gòu)分析情況發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化齒輪化學成分和優(yōu)化齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計是提升齒輪強度、規(guī)避齒輪斷齒的有效措施。

3 改進措施

通過上述分析，當前有效方案有兩種：1）齒輪化學成分不滿足設(shè)計要求，體現(xiàn)為C、Si 不滿足設(shè)計要求；2）齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，體現(xiàn)為齒輪的接觸應(yīng)力集中。

優(yōu)化措施：1)通過調(diào)整淬火、回火、退火的工藝降低化學成分中C、Si 含量。齒輪優(yōu)化前后化學成分對比，如表7所示，優(yōu)化后C、Si 滿足設(shè)計要求。2)通過齒輪修形降低接觸應(yīng)力，提升齒輪強度。通過優(yōu)化齒形鼓型量、齒頂修緣量、齒向鼓型量來減少齒輪接觸應(yīng)力，修形方案如表8 所示。

對優(yōu)化后的齒輪進行接觸斑點試驗，如圖3 所示。對比圖2、圖3，優(yōu)化前后齒輪接觸應(yīng)力分別為1 437MPa、1 101MPa，優(yōu)化后較優(yōu)化前接觸應(yīng)力下降23%，優(yōu)化明顯。故通過齒輪修形降低接觸應(yīng)力，是優(yōu)化斷齒的有效措施。

將經(jīng)過上述兩個優(yōu)化措施優(yōu)化的齒輪搭載變速箱換擋試驗，試驗通過。

表7 齒輪優(yōu)化前后化學成分對比

表8 斷齒齒輪修形方案

圖3 優(yōu)化齒輪接觸斑點試驗

4 結(jié)論

綜合分析，某變速箱高速齒輪斷齒是因為化學成分和齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計不滿足要求。對此，需降低C、Si 含量和降低齒輪接觸應(yīng)力。