齿圈断裂失效分析

来源:安徽工业大学机械工程学院作者:张鑫

通过显微组织观察、疲劳断口形貌分析以及有限元分析等方法对汽车变速箱齿轮齿圈断裂的原因进行了研究。结果表明,齿圈断裂形式为疲劳断裂,其原因为材料在热处理后残留奥氏体含量过高,齿轮内孔与轴配合的过盈量过大等。建议在齿轮的设计和加工过程中,将齿轮内孔与轴配合的过盈量适度减小;在热处理过程中,应及时回火,减少残留奥氏体含量,以延长变速箱寿命。

齿轮传动是机械传动中最重要的一种传动形式之一。它具有传动效率高、工作可靠、寿命长、传动比准确、结构紧凑等优点,在机床、运输机械等产品中有着广泛的应用。齿轮通过轮齿啮合传递扭矩和动力,因而承受较大的冲击载荷、交变弯曲应力和接触应力,因此易产生齿面点蚀、胶合等失效,甚至是断齿或齿圈断裂。

对某型号客车变速箱中发生的齿圈断裂失效进行研究,通过断口宏观形貌分析、金相显微组织分析和有限元分析等方法,诊断出齿轮的失效原因。在此基础上,提出了齿轮在设计、机械加工以及热处理等方面相应的改进意见,从而可以避免齿轮的早期断裂,延长其使用寿命。

1、物理检测

1.1、宏观形貌分析

失效齿轮宏观形貌如图1 所示,所用材料为20CrMnTi 钢。用公法线千分尺等工具对齿轮进行了检测,得出了齿轮具体的几何参数如下:齿数z 为24,法面模数mn为4 mm,螺旋角β 为18°31',法向压力角αn为20°,齿宽B 为30 mm。齿轮的齿高、齿厚等均符合设计要求。齿轮的齿圈内孔直径为69.998 mm,与之配合轴的直径为70.318 mm,即实测得过盈量达0.32 mm。

断裂齿轮的宏观形貌

图1 断裂齿轮的宏观形貌

(a) 整体;(b) 断口1;(c) 断口2

1.2、金相分析

从断裂齿轮非断口处线切割取试样,经打磨、抛光、4%硝酸酒精溶液侵蚀后置于OLYMPUSBX51M 光学显微镜下观察表层和心部的金相组织,如图2 所示。

失效齿轮显微组织形貌

图2 失效齿轮显微组织形貌

(a) 表层;(b) 心部

从图2(a) 、(b) 可以看出,零件的表层组织为细针状马氏体和残留奥氏体;心部为板条状马氏体和铁素体的混合组织。对照QC /T 262-1999《汽车渗碳齿轮金相检验》标准,发现表层的残留奥氏体等级为5 ~ 6级,不满足硬齿面的1 ~ 5 级的设计要求。齿轮渗碳层表面存在过量的残留奥氏体,热处理网(http://rechuli.chvacuum.com/)认为致使材料的强度显著降低。

1.3、硬度测试

采用HVS-1000 型数字显微硬度计测量硬化层的显微硬度,加载砝码50 g,保压时间10 s。得出不同深度下硬度曲线如图3 所示。表面平均硬度为614 HV0.05,心部平均硬度为369 HV0.05,符合相关设计的要求。从图3 还可以看出,有效硬化层深度约为1.07 mm,达到硬化层层深0.8 ~ 1.2 mm 的渗碳深度的设计要求。

断裂齿圈硬度梯度曲线

图3 断裂齿圈硬度梯度曲线

1.4、断口分析

图4 为该齿轮两断口处的宏观形貌图,从图4 中可以看出两断口都存在较为典型的贝壳状花纹,是典型的疲劳断裂特征。断口表面可分为具有不同特征的A、B、C 三个区域。A 区位于贝壳状花纹的中心,是疲劳裂纹源区,表面因断裂面之间相互多次摩擦而较为光滑,由于其处于齿圈孔口处,容易引起应力集中,形成裂纹源。B 区面积较大,是裂纹的扩展区,表面有着典型的贝壳状花纹,它是裂纹因齿轮受周期性疲劳载荷作用而逐渐扩展留下的,贝纹线间距的大小主要取决于外载荷大小,外载荷越大,间距就越大,裂纹扩展速率就越快,且其线方向为裂纹扩展方向。C 区面积较小,是瞬间断裂区,表面较为粗糙,它是裂纹扩展到一定程度后,零件的横截面面积减小,受到的应力大于它的断裂强度时,突然断裂形成的。

通过对比断口1 与断口2 的宏观形貌可以发现,断口1 的贝纹线间距较窄,断口2 的贝纹线间距较宽。因此可以初步推断该齿轮断裂首先发生在断口1 处,然后发生在断口2 处。在断口1 处未发生完全断裂前,两断口共同承担载荷,齿轮的刚度较高,裂纹的扩展速率较慢。在断口1 完全断裂后,齿圈类似弯曲的悬臂梁,致使断口2 处承受载荷增大,裂纹扩展速率加快,因此在这两处留下的贝纹线间距大小是不同的。

通过扫描电镜观察图4(a) 中M 处可见很多沿齿圈径向分布的不规则裂纹,如图5 所示。裂纹起始端粗大,表面粗糙,最深的裂纹长度达到了5 mm。裂纹扩展的方向与齿圈疲劳裂纹的扩展方向完全不同,表明它们不是属于同一个裂纹源,而极有可能是齿轮在加工过程中,加工刀具在齿槽底部留下的刀痕所引起。

齿轮断口的宏观形貌

图4 齿轮断口的宏观形貌

(a) 断口1;(b) 断口2

2、结论与建议

该斜齿圆柱齿轮的断裂失效主要是由齿轮与其相配合的轴过盈量较大导致齿圈所受涨紧力过大引起的;齿轮渗碳的热处理工艺不规范导致残留奥氏体的含量过多也是原因之一,齿槽底部的机械加工质量没有达到要求也加速了齿圈的断裂。

为了提高齿轮的强度,延长其使用寿命,可以适当加大齿圈的厚度来增强齿圈的强度;通过精确保证轴与齿轮内孔的过盈量,防止因较大过盈量使轴与齿轮内孔在装配过程中产生微裂纹;同时提高加工精度,在孔口倒角处以消除应力集中,提高表面的加工质量,尽量避免机加工留下的刀痕;在热处理过程中,渗碳淬火后应及时回火,使马氏体、残留奥氏体级别达到设计要求。