某車型差速器齒輪斷齒失效分析

黃廷波，李永波，左 彪，周智慧

（1.江蘇飛船股份有限公司；2.泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 泰州 225300）

差速器是汽車傳動系統(tǒng)中的重要部件，汽車在轉(zhuǎn)向過程中該系統(tǒng)可調(diào)整內(nèi)外車輪線速度，使汽車轉(zhuǎn)彎時內(nèi)外輪保持同步，防止車輪與路面產(chǎn)生滑動[1]。差速器不僅影響整車的通過性、使用壽命，還影響整車的舒適性及安全性。齒輪作為差速器的核心零件對差速器的性能起決定性作用。齒輪一旦發(fā)生故障，會直接導(dǎo)致車輛拋錨，發(fā)生事故。

某車型使用過程中發(fā)生差速器行星齒輪輪齒斷裂。行星齒輪共有10齒，材料為20CrMnTiH，設(shè)計要求滲碳層深度0.9mm～1.3mm，表面硬度58HRC～64HRC，芯部硬度33HRC～48HRC。加工工藝為：棒料切割→磨外圓→平頭倒角→冷鍛成形→機加工→熱處理→噴丸→精加工內(nèi)孔及球面→成品檢驗→清洗→包裝入庫。熱處理采用滲碳+淬火工藝，工藝參數(shù)為：加熱至920℃±10℃，在900℃±10℃保持120min±30min；滲碳溫度：900℃±10℃，滲碳時間：270min±20min；擴散溫度：890℃±10℃，時間：60min±20min；在840℃±10℃保持40min±10min后淬火；在80℃下清洗65min；回火溫度：180℃±10℃，回火時間：180min±10min。

1 試驗檢測與分析

1.1齒輪損壞情況宏觀檢查

該行星齒輪連續(xù)6個齒斷裂，斷裂位置為齒根部，其中4齒斷口磨損嚴重，呈光滑狀，有2齒斷口較完好，損壞齒輪實物如圖1。

從圖中可以看出，斷口呈閃晶狀金屬光澤，為宏觀脆性斷口。斷口形狀規(guī)則，具有一定的方向性，邊緣整齊。斷齒剝落后的斷口較為光滑平整，且能觀察到放射狀條紋。

圖1 損壞齒輪實物圖

1.2 齒輪理化性能檢測

對行星齒輪各項理化性能指標(biāo)進行檢測，確定質(zhì)量狀態(tài)。各指標(biāo)中晶粒度、非馬氏體深度存在一定程度超標(biāo)。從晶粒度狀態(tài)看，基體內(nèi)存在局部混晶情況[2,3]。其余質(zhì)量指標(biāo)均符合要求。具體檢測結(jié)果如表1。

1.3 斷口分析

將斷口相對完好的2個輪齒分別編號為01#、02#。使用日本電子JSM-7001F熱場發(fā)射高分辨掃描電鏡對斷齒斷口進行分析。

表1 理化性能檢測結(jié)果

圖2 01#-齒輪斷口形貌30X

圖3 02#-齒輪斷口形貌30X

01#-齒輪低倍斷口形貌如圖2，可見：斷口右側(cè)（A區(qū)）與齒根面平齊，斷口中部（B區(qū)）呈下凹狀，斷口左側(cè)（C區(qū)）有明顯突起，整個斷口呈“V型”，明顯可見從A區(qū)→B區(qū)→C區(qū)方向的放射線條，判定斷口右側(cè)（A區(qū)）為斷裂源區(qū)，斷裂為起始于右側(cè)齒根部表面的脆性斷裂。斷口中部有一明顯臺階，該臺階是由A1、A2區(qū)和A3區(qū)不同平面上的兩裂紋擴展匯合而形成。

圖4 01#-A1區(qū)沿晶斷裂形貌1000X

圖5 01#-B1區(qū)沿晶+撕裂形貌1000X

圖6 01#-B1區(qū)撕裂+解理形貌1600X

圖7 01#-C1區(qū)解理形貌1500X

使用掃描電鏡觀察高倍狀態(tài)下01#-齒輪斷口A1→B1→C1區(qū)域的斷口形貌。斷裂源A1區(qū)處于齒根部次表層，斷口表面和次表層均為沿晶斷裂，如圖4。隨著裂紋不斷擴展，斷口特征變化為：B1區(qū)沿晶+撕裂（圖5）→B1區(qū)撕裂+解理（圖6）→C1區(qū)解理斷裂（圖7），脆性斷裂趨于明顯。斷口A2→B2→C2區(qū)和A3→B3→C3區(qū)域也表現(xiàn)為相同特征。斷裂源A2、A3區(qū)起始于齒根部，沿齒長方向分布，斷口從撕裂韌窩+解理向純脆性解理變化，從右至左不斷擴展[4]。

02#-齒輪低倍斷口形貌如圖3，可見：斷口右側(cè)（A區(qū)）與齒根面平齊，整個斷口也呈“V型”。斷口上從右側(cè)到左側(cè)放射線條明顯，同樣為起始于右側(cè)齒根部的脆性斷裂。斷裂源于齒根部，沿齒長分布，分別起源于斷口右側(cè)表面A1、A2區(qū)和右下角的A3區(qū)。

圖8 02#-A2區(qū)沿晶斷裂形貌1000X

圖9 02#-B2區(qū)撕裂+解理形貌1000X

圖10 02#-C2區(qū)沿晶斷裂形貌2000X

繼續(xù)使用掃描電鏡觀察高倍狀態(tài)下02#-齒輪斷口A2→B2→C2區(qū)域的斷口形貌。斷口A2區(qū)顯現(xiàn)為沿晶斷裂，表面晶粒細小，局部有沿晶二次裂紋，如圖8。斷口B2區(qū)為撕裂韌窩+解理混合型斷裂，如圖9。斷口C2區(qū)大多表現(xiàn)為沿晶斷裂，晶粒細小，局部存在沿晶裂紋，如圖10。斷口A1→B1→C1區(qū)和A3→B3→C3區(qū)域特征與A2→B2→C2區(qū)域相同。

2 檢測結(jié)果分析

齒輪的理化性能檢測結(jié)果顯示，輪齒中存在局部混晶，有應(yīng)力集中情況。非馬氏體的深度偏大，對于齒根的彎曲疲勞強度有一定的影響。但這兩種狀態(tài)不佳對于輪齒的強度影響較為有限，并非齒輪輪齒斷裂的主要因素。

由齒輪斷裂情況和斷口分析可以看出，兩齒輪斷裂起源于同一側(cè)的齒根表面，斷裂源沿齒長分布，為沿晶起裂，隨后裂紋向另一側(cè)快速脆性解理擴展，斷口呈現(xiàn)為沿晶+撕裂→撕裂+解理→解理斷口。整個斷口未見疲勞特征，放射線條明顯，顯示出明顯的受沖擊導(dǎo)致的快速脆性解理斷裂。另外，在對一個還未斷裂的輪齒檢查時發(fā)現(xiàn)，齒根部有兩條裂紋，分別從上、下齒根起裂，然后各自交叉擴展。這與前面2個斷齒斷口分析推斷的結(jié)果相吻合。

綜合以上分析推斷，該差速器齒輪的斷裂應(yīng)為瞬時沖擊所致。在沖擊力的作用下，裂紋從輪齒最薄弱的齒根應(yīng)力集中位置開始產(chǎn)生。在持續(xù)的沖擊載荷作用下裂紋不斷擴展，最終導(dǎo)致脆性斷裂。

3 改進措施

3.1 工藝優(yōu)化

采用先滲碳，出爐空冷，再加熱淬火、回火的工藝，改善奧氏體晶粒度，避免局部混晶。采用提高淬火溫度、淬火液冷卻性能等措施，避免非馬氏體的產(chǎn)生。進而提高輪齒的強度性能，降低產(chǎn)生裂紋的可能性，提高輪齒使用性能。

3.2 有限元輔助齒輪參數(shù)優(yōu)化

應(yīng)用有限元分析軟件對齒輪的嚙合狀態(tài)進行模擬[5]。行星齒輪材料為20CrMnTiH，熱處理后，最終材料抗拉強度約為1220Mpa。齒比為10：16，模數(shù)為4.783。極限工況下，單個齒上最大扭矩為894Nm。經(jīng)模擬計算，齒根位置處最大應(yīng)力為1307Mpa，如圖11。該數(shù)值超過了材料抗拉強度極限。

圖11 優(yōu)化前輪齒應(yīng)力

圖12 優(yōu)化后輪齒應(yīng)力

為降低單個齒上的應(yīng)力值，嘗試提高齒輪模數(shù)，由4.783增加至5.106，將齒數(shù)比改變?yōu)?0：14。進行有限元模擬計算。齒根位置處最大應(yīng)力降為1163Mpa，如圖12。該數(shù)值低于材料抗拉強度極限。

4 結(jié)語

本文從某車型差速器齒輪斷裂的問題入手，運用各類檢測和分析手段，系統(tǒng)分析了該齒輪輪齒斷裂的原因，提出了該型齒輪制造工藝和設(shè)計參數(shù)的優(yōu)化方案，有效地提高輪齒強度，避免該問題再次發(fā)生。從故障件的斷口分析結(jié)果來看，該差速器齒輪斷裂主要是由瞬時沖擊所致，這種瞬時沖擊可能來自于用戶的不合理使用[6]。故建議駕駛者在車輛使用過程中按規(guī)范操作，避免誤操作，避免車輛運行過程中產(chǎn)生過大的沖擊載荷。