摘 要:某車(chē)輛差速器行星齒輪在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生早期斷裂。采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、硬 度測(cè)試、金相檢驗(yàn)和斷口分析等方法分析了行星齒輪斷裂的原因。結(jié)果表明:齒輪內(nèi)的黃銅襯套與 齒輪內(nèi)壁發(fā)生摩擦,導(dǎo)致齒輪內(nèi)壁磨損擦傷,擦傷區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中使齒輪發(fā)生疲勞斷裂。建議加強(qiáng) 檢查齒輪的潤(rùn)滑狀況、安裝過(guò)程、齒輪與黃銅襯套之間是否有異物卷入,以避免齒輪發(fā)生異常摩擦。

關(guān)鍵詞:行星齒輪;疲勞斷裂;摩擦;磨損;應(yīng)力集中

中圖分類(lèi)號(hào):TG115.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1001-4012(2022)07-0065-03

隨著交通運(yùn)輸領(lǐng)域的飛速發(fā)展,市場(chǎng)對(duì)于車(chē)輛 傳動(dòng)系統(tǒng)性能的要求越來(lái)越高[1-2]。差速器是汽車(chē) 變速器最重要的傳動(dòng)零件之一,由于其不斷地承受 著變化的轉(zhuǎn)速和載荷,容易發(fā)生早期失效事故[3-4]。 行星齒輪是車(chē)輛差速器中的關(guān)鍵部件,其穩(wěn)定性直 接決定了差速器的使用壽命。通過(guò)分析齒輪失效的 原因,制定科學(xué)的預(yù)防方案,可以提高齒輪的壽命, 降低齒輪故障的概率。

齒輪發(fā)生故障的原因既可能來(lái)源于齒輪自身的 缺陷,也可能來(lái)源于機(jī)械運(yùn)動(dòng)等外部因素。齒輪失效的形式一般包括齒輪疲勞折斷、齒輪過(guò)載折斷、齒 面磨損、齒面點(diǎn)蝕等[5-6]。

某車(chē)輛差速器行星齒輪在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生了打 齒失效,齒輪多處斷裂。筆者采用一系列理化檢驗(yàn) 方法,分析了該齒輪斷裂的原因,以避免該類(lèi)事故再 次發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

該行星齒輪材料為20CrMnTi鋼,熱處理工藝 為 滲 碳 + 淬 火 + 回 火,滲 碳 硬 化 層 深 度 為 0.90~1.35mm,表面硬度為56~62 HRC,心部硬 度為35~45HRC,齒輪內(nèi)孔壓裝了一個(gè)黃銅襯套。 斷裂齒輪宏觀形貌如圖1所示,由圖1可知:齒輪有3處發(fā)生了斷裂,均在齒根部,齒輪內(nèi)表面可觀察到 明顯的摩擦痕跡。異常摩擦引起齒輪內(nèi)壁發(fā)熱進(jìn)而 發(fā)生回火,根據(jù)摩擦區(qū)域的顏色判斷,回火溫度為 300~350 ℃,高于齒輪的正常回火溫度(180℃)。斷口上可觀察到明顯的放射線,根據(jù)放射線方向可初 步判斷齒輪的開(kāi)裂源位于圖1b)中標(biāo)注區(qū)域,斷裂 類(lèi)型屬于疲勞斷裂。

1.2 化學(xué)成分分析

在齒輪斷口附近取樣,采用直讀光譜儀進(jìn)行化 學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知:齒輪化 學(xué)成分 符 合 GB/T3077—1999 《合 金 結(jié) 構(gòu) 鋼》對(duì) 20CrMnTi鋼的要求。

1.3 金相檢驗(yàn)

根據(jù) GB/T13298—2015 《金屬顯微組織檢驗(yàn) 方法》的要求,截取斷裂齒輪斷口截面及垂直于斷口 截面的試樣,試樣經(jīng)鑲嵌、磨制、拋光后將其置于光 學(xué)顯微鏡下觀察,發(fā)現(xiàn)齒輪內(nèi)孔及齒部有若干裂紋 分布,裂紋呈應(yīng)力開(kāi)裂特征(見(jiàn)圖2)。

將試樣按 GB/T10561—2005 《鋼中非金屬夾 雜物含量的測(cè)定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》進(jìn)行非金 屬夾雜物評(píng)定,發(fā)現(xiàn)各類(lèi)非金屬夾雜物等級(jí)均小于 1.0級(jí)。試樣經(jīng)4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液侵蝕 后,其正常部位表層組織為細(xì)針狀馬氏體+粒狀碳化 物,心部組織為板條狀馬氏體(見(jiàn)圖3)。圖4為齒輪 內(nèi)壁的顯微組織形貌,腐蝕后齒輪內(nèi)壁附近顏色較 深,原因是擦傷后導(dǎo)致齒輪內(nèi)壁附近組織發(fā)生回火, 回火組織更易腐蝕,造成該區(qū)域顯微組織顏色較深。

1.4 硬度及硬化層深度測(cè)試

用 HMV-2T 型顯微硬度計(jì)測(cè)試齒輪硬化層, 其表 面 硬 度 為 61~62 HRC,心 部 硬 度 為 39~ 40HRC;根據(jù) GB/T9450—2005《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測(cè)定與校核》,測(cè)試齒輪的硬化層深度為 1.10~1.15mm。

1.5 斷口分析

采用JSM-6610LV 型掃描電鏡(SEM)觀察齒 輪斷口的微觀形貌,結(jié)果如圖5所示。從圖5可知: 齒輪斷裂形式屬于疲勞斷裂,斷口可見(jiàn)圓弧狀疲勞 貝紋線。開(kāi)裂源尖角處可觀察到微裂紋,且開(kāi)裂源 區(qū)域可見(jiàn)擦傷痕跡,裂紋擴(kuò)展區(qū)既有解理特征又有 韌窩特征,屬于混合斷口[7]。

2 綜合分析

由上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知:齒輪的化學(xué)成分、顯 微組織、硬度及硬化層深度均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,由此可基本判斷齒輪的加工制造過(guò)程無(wú)明顯問(wèn)題。在 齒輪內(nèi)壁發(fā)現(xiàn)多處摩擦擦傷及磨損缺陷,斷口SEM 形貌顯示開(kāi)裂源尖角處有微裂紋,且在開(kāi)裂源區(qū)域 發(fā)現(xiàn)明顯擦傷痕跡,由此推斷齒輪發(fā)生過(guò)異常的摩 擦磨損。同時(shí),斷口 SEM 形貌可見(jiàn)明顯疲勞貝紋 線,裂紋擴(kuò)展區(qū)既有解理特征又有韌窩特征,由此判 斷齒輪斷裂屬于疲勞斷裂。

綜合上述分析結(jié)果,結(jié)合齒輪的具體工作環(huán)境 和受力特點(diǎn),可判斷齒輪在服役期間,由于齒輪內(nèi)的 黃銅襯套與齒輪內(nèi)壁發(fā)生摩擦,因此內(nèi)壁發(fā)生了磨 損擦傷,擦傷區(qū)域易產(chǎn)生應(yīng)力集中。在正常載荷下, 擦傷區(qū)域 過(guò) 早 地 萌 生 裂 紋,進(jìn) 一 步 擴(kuò) 展 發(fā) 生 疲 勞 斷裂。

3 結(jié)論及建議

齒輪內(nèi)壁和齒輪內(nèi)的黃銅襯套發(fā)生摩擦導(dǎo)致齒 輪內(nèi)壁磨損擦傷,擦傷區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中引起齒輪 發(fā)生疲勞斷裂。

建議加強(qiáng)齒輪內(nèi)壁異常摩擦原因的排查,檢查 齒輪的潤(rùn)滑情況以及安裝過(guò)程是否合格,排查齒輪 與黃銅襯套之間是否有異物卷入。

參考文獻(xiàn):

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[5] 林釩.齒輪 失 效 模 式 形 成 分 析 [J].工 程 技 術(shù) 研 究, 2019,4(7):207-208.

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