重卡副箱撥叉早期磨損失效分析及改善初探

文／黃明興，劉剛，趙林鋒·浙江正昌鍛造股份有限公司

重型卡車的變速箱通常由主箱和副箱組成，副箱撥叉安裝在后副箱中，用于控制高低擋位的轉(zhuǎn)換。副箱撥叉是重型卡車變速箱的重要零部件之一，對(duì)變速箱的質(zhì)量起著關(guān)鍵作用。本文選取了典型的副箱撥叉失效件進(jìn)行失效分析、原因查找及改善，從而提高了整個(gè)變速箱的壽命。

理化檢驗(yàn)

宏觀檢驗(yàn)

圖1 失效件撥叉腳工作表面高溫氧化變色宏觀形貌

圖2 失效件撥叉腳工作表面裂紋及磨損溝槽宏觀形貌

失效件撥叉腳工作表面宏觀形貌見圖1～圖3，在三個(gè)失效件的撥叉腳工作表面均可觀察到嚴(yán)重的磨損痕跡，其中，圖1中的工作面可以觀察到表面磨損處出現(xiàn)氧化變色現(xiàn)象，這是高速摩擦導(dǎo)致的局部高溫引起表面氧化變色；圖2中的工作面可以觀察到垂直于同步環(huán)旋轉(zhuǎn)方向的裂紋以及與同步環(huán)旋轉(zhuǎn)方向一致的磨損溝槽，其裂紋分布符合磨削裂紋的特征；圖3中甚至可以觀察到工作面局部材料脫落形成的宏觀坑洞。

圖3 失效件撥叉腳工作表面裂紋及坑洞宏觀形貌

顯微檢驗(yàn)

在圖3處取樣進(jìn)行顯微硬度及顯微組織分析。

⑴顯微硬度檢驗(yàn)。

在氧化變色表面用洛氏硬度計(jì)檢查表面硬度，硬度值為58.8～60HRC，仍符合技術(shù)要求(表面硬度不小于58HRC，硬化層深1.02～2.54mm)；而磨損嚴(yán)重處用洛氏硬度計(jì)檢查，已無法準(zhǔn)確測(cè)量。采用顯微維氏硬度分別對(duì)兩處進(jìn)行硬化層深測(cè)量，如圖4所示。圖4中硬度曲線1為氧化變色處硬化層硬度分布情況，從曲線中可以看到次表層的最高硬度大于680HV，有效硬化層深度有1.8mm，但是低頭嚴(yán)重，說明表面由于磨損出現(xiàn)了嚴(yán)重的退火現(xiàn)象；硬度曲線2為嚴(yán)重磨損處硬化層硬度分布情況，次表層硬度大于520HV，硬化層仍有0.9mm，同樣也是低頭嚴(yán)重。

圖4 硬化層深度曲線

⑵硬化層形狀檢驗(yàn)。

對(duì)試樣拋光后采用5%的硝酸酒精進(jìn)行腐蝕，低倍觀察看兩個(gè)位置硬化層形狀如圖5和圖6所示，從圖中可以看出，硬化層的深度和范圍都是比較理想的。

⑶裂紋處顯微檢查。

將裂紋處取樣進(jìn)行拋光，于40倍顯微鏡下觀察，裂紋垂直于表面，裂紋中未發(fā)現(xiàn)材料缺陷，箭頭方向?yàn)辇X環(huán)旋轉(zhuǎn)方向，可以看到表層金屬摩擦變形的方向，如圖7所示。

圖5 沿叉腳縱向硬化層形狀

圖6 叉腳橫向硬化層形狀

⑷坑洞處顯微檢查。

在坑洞處取樣進(jìn)行拋光，用5%硝酸酒精腐蝕后，在100倍顯微鏡下可以觀察到與坑洞底部相鄰側(cè)均存在與工作表面平行的水平裂紋，在表層未脫落處有垂直裂紋與水平裂紋貫通，當(dāng)裂紋貫通后，在振動(dòng)條件下，表層金屬就可能脫落，在叉腳表面形成坑洞。

失效原因分析

圖8 坑洞處裂紋形態(tài)

圖9 坑右側(cè)部分裂紋形態(tài)

圖10 坑左側(cè)部分裂紋形態(tài)

副箱撥叉在工作時(shí)是由雙H閥控制的氣缸推動(dòng)撥叉軸帶動(dòng)副箱撥叉移動(dòng)，并通過滑動(dòng)卡接在同步齒套環(huán)槽中的叉腳推動(dòng)同步齒套及變速齒輪軸向移動(dòng)與不同齒數(shù)的齒輪嚙合從而實(shí)現(xiàn)換擋，當(dāng)變速齒輪嚙合后同步齒套及變速齒輪在發(fā)動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下均處于高速轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài)，此時(shí)副箱撥叉在自鎖裝置的作用下保持固定狀態(tài)，這樣同步齒套環(huán)套與副箱撥叉之間就一直處于高速摩擦狀態(tài)。

根據(jù)前面的宏觀和微觀檢驗(yàn)結(jié)合副箱撥叉的工作原理，可以知道副箱撥叉磨損失效直接原因是高速摩擦狀態(tài)下，叉腳工作面出現(xiàn)高溫退火現(xiàn)象使表面硬度降低，導(dǎo)致耐磨性能下降，并在持續(xù)工作中進(jìn)一步惡化，出現(xiàn)嚴(yán)重磨損；在長(zhǎng)期工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)的不斷交替作用下，叉腳表面反復(fù)升溫降溫，導(dǎo)致叉腳表面出現(xiàn)密布的垂直于同步齒套旋轉(zhuǎn)方向的磨削裂紋；同時(shí)，由于叉腳表面的反復(fù)溫度變化導(dǎo)致表層金屬不斷受到溫度及組織變化引起的拉應(yīng)力作用，出現(xiàn)平行于叉腳表面的應(yīng)力裂紋，當(dāng)這兩種裂紋貫通后，在振動(dòng)條件下，表層金屬就可能脫落，在叉腳表面形成坑洞。

叉腳工作面摩擦溫升過高通常有兩方面的原因，一是氣壓過高使氣缸的推動(dòng)力過大，叉腳表面與同步齒套間的壓力過大；二是潤(rùn)滑不良，不能有效形成壓力油膜，使叉腳表面與同步齒套間處于半干摩擦甚至干摩擦狀態(tài)。從根本上來說，氣缸推動(dòng)力過大引發(fā)壓力過大導(dǎo)致潤(rùn)滑油膜被破壞。

在潤(rùn)滑理論中雷諾認(rèn)為油進(jìn)入收斂的狹窄通道時(shí)，其流速增加；由于油具有粘性，油膜內(nèi)產(chǎn)生的壓力可以舉起轉(zhuǎn)動(dòng)的軸，使軸和軸承完全分開?？梢娨纬赡芷胶馔廨d的壓力油膜，就要有收斂油楔，兩個(gè)運(yùn)動(dòng)表面有一定的相對(duì)速度，油具有一定的粘性。反之就不會(huì)形成流體動(dòng)壓潤(rùn)滑。

壓力油膜主要由兩種效應(yīng)作用來支承載荷，一種是擠壓效應(yīng)，如圖11所示。在撥叉工作面還沒有壓到同步環(huán)工作面上時(shí)，同步環(huán)可以將潤(rùn)滑油從油池中帶上來，使同步環(huán)上粘上一層潤(rùn)滑油，當(dāng)撥叉工作面壓到同步環(huán)上時(shí)，在兩個(gè)平面間就夾有了一層油膜，油膜受擠壓后兩端破裂，被擠壓的流體從兩表面之間的縫隙中流出。這時(shí)由于壁面摩擦阻力的存在，流體中就產(chǎn)生壓力，直至油膜內(nèi)壓力與外載荷平衡時(shí)，撥叉腳表面才停止向同步環(huán)表面運(yùn)動(dòng)，這時(shí)被擠壓的流體膜叫做擠壓膜，靠這種擠壓作用產(chǎn)生承載能力的效應(yīng)就叫擠壓效應(yīng)，當(dāng)擠壓力過大或沒有持續(xù)的潤(rùn)滑油供給時(shí)，這種擠壓膜就會(huì)被破壞。

圖11 擠壓效應(yīng)成膜示意圖

圖12 楔效應(yīng)成膜示意圖

另一種是楔效應(yīng)(動(dòng)壓效應(yīng))，如圖12所示。成一定夾角的兩相對(duì)運(yùn)動(dòng)平面形成收斂油楔，下表面沿x方向以速度υ運(yùn)動(dòng)，在進(jìn)口大、出口小的條件下，油膜沿物體運(yùn)動(dòng)方向逐漸變薄，但是流體是不可壓縮的和連續(xù)的，在油膜內(nèi)必會(huì)產(chǎn)生一定壓力，沿x方向形成壓力梯度以減少入口潤(rùn)滑油的流入，增大潤(rùn)滑油的出口流量，從而保持流過各截面的流量相等，從而在油膜內(nèi)形成壓力以支承外載荷。這種靠油膜形狀產(chǎn)生壓力的效應(yīng)就是楔效應(yīng)(也叫動(dòng)壓效應(yīng))。顯然作為撥叉與同步環(huán)之間形成的油膜，其油膜內(nèi)的壓力是由擠壓效應(yīng)和楔效應(yīng)共同作用的，即潤(rùn)滑油一經(jīng)流入楔形通道就必然受到擠壓作用。

現(xiàn)有副箱撥叉的叉腳處結(jié)構(gòu)如圖13所示，其撥叉腳工作面兩端(A、B)均為平面，且與立面幾乎為銳邊相接，不能很好的形成楔形通道。同步齒環(huán)旋轉(zhuǎn)時(shí)從油池中帶上的潤(rùn)滑油，一方面不容易進(jìn)入叉腳下工作面與同步齒套之間，特別是由于機(jī)加工誤差大或裝配不當(dāng)使叉腳表面與同步齒套環(huán)槽平行度不良時(shí)，甚至?xí)霈F(xiàn)叉腳表面端口將潤(rùn)滑油從同步齒套上刮落現(xiàn)象(圖14)，動(dòng)壓效應(yīng)被減弱，另一方面，由于流入的潤(rùn)滑油量減少，油膜厚度不足，擠壓效應(yīng)同時(shí)也被減弱，于是潤(rùn)滑效果下降，特別是當(dāng)氣缸推力也大時(shí)，幾種不良效應(yīng)的疊加導(dǎo)致油膜被破壞，使摩擦副工作情況惡化，兩工作面溫度升高進(jìn)一步加劇了潤(rùn)滑油膜的損壞，于是出現(xiàn)異常磨損。

圖13 副箱撥叉前叉腳部分結(jié)構(gòu)示意圖

圖14 撥叉腳部表面與同步齒套不平行示意圖

副箱撥叉改善

針對(duì)上述分析，對(duì)叉腳結(jié)構(gòu)進(jìn)行如圖15所示的改進(jìn)，即分別在撥叉腳工作面兩端(A、B)設(shè)計(jì)一導(dǎo)油斜面與工作面銜接，導(dǎo)油斜面的傾斜角度設(shè)計(jì)在20°～25°之間，導(dǎo)油斜面與工作面之間改成圓弧平滑過渡，在副箱撥叉工作時(shí)叉腳工作面與同步齒套接觸后在叉腳工作面雙端均有一楔形開口。這種結(jié)構(gòu)使同步齒套在正向或反向高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，潤(rùn)滑油均容易進(jìn)入摩擦面之間，由于楔效應(yīng)的作用使流體動(dòng)壓潤(rùn)滑油膜容易形成并穩(wěn)定存在，將摩擦面之間隔開，減少異常磨損的發(fā)生，從而減少異常磨損失效。圖16為改進(jìn)后副箱撥叉的三維模型圖。

圖15 副箱撥叉的改善方案示意圖

圖16 改進(jìn)后副箱撥叉三維模型

結(jié)束語

本文通過對(duì)收集到的副箱撥叉失效件進(jìn)行宏觀及微觀檢測(cè)分析，從檢測(cè)結(jié)果得知，這種磨損失效的直接原因是高速摩擦狀態(tài)下由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、加工裝配精度以及氣缸推力等不良效應(yīng)疊加，引起叉腳工作面潤(rùn)滑不足出現(xiàn)高溫退火現(xiàn)象使得表面硬度降低，導(dǎo)致耐磨性能下降，并在持續(xù)工作中進(jìn)一步惡化，出現(xiàn)嚴(yán)重磨損。

根據(jù)流體動(dòng)壓潤(rùn)滑的原理，提出了對(duì)副箱撥叉的叉腳部結(jié)構(gòu)改進(jìn)的設(shè)計(jì)方案，經(jīng)試制試驗(yàn)，明顯改善了副箱撥叉工作時(shí)的潤(rùn)滑效果，減輕了氣缸推力及裝配精度的不利影響，延長(zhǎng)了副箱撥叉的使用壽命。此分析方法及改進(jìn)方案，對(duì)重型卡車其他各擋位撥叉的改進(jìn)也具有實(shí)際指導(dǎo)意義。