分享：某车辆差速器行星齿轮早期断裂原因
张爱敏1,张爱国2,陈鹭滨2
(1.山东大学 材料科学与工程学院 材料液固结构演变与加工教育部重点实验室,济南 250061;
2.宁阳县职业中等专业学校 汽车工程系,宁阳 271400)
摘 要:某车辆差速器行星齿轮在运行过程中发生早期断裂。采用宏观观察、化学成分分析、硬 度测试、金相检验和断口分析等方法分析了行星齿轮断裂的原因。结果表明:齿轮内的黄铜衬套与 齿轮内壁发生摩擦,导致齿轮内壁磨损擦伤,擦伤区域产生应力集中使齿轮发生疲劳断裂。建议加强 检查齿轮的润滑状况、安装过程、齿轮与黄铜衬套之间是否有异物卷入,以避免齿轮发生异常摩擦。
关键词:行星齿轮;疲劳断裂;摩擦;磨损;应力集中
中图分类号:TG115.2 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)07-0065-03
随着交通运输领域的飞速发展,市场对于车辆 传动系统性能的要求越来越高[1-2]。差速器是汽车 变速器最重要的传动零件之一,由于其不断地承受 着变化的转速和载荷,容易发生早期失效事故[3-4]。 行星齿轮是车辆差速器中的关键部件,其稳定性直 接决定了差速器的使用寿命。通过分析齿轮失效的 原因,制定科学的预防方案,可以提高齿轮的寿命, 降低齿轮故障的概率。 齿轮发生故障的原因既可能来源于齿轮自身的 缺陷,也可能来源于机械运动等外部因素。齿轮失 效的形式一般包括齿轮疲劳折断、齿轮过载折断、齿 面磨损、齿面点蚀等[5-6]。 某车辆差速器行星齿轮在运行过程中发生了打 齿失效,齿轮多处断裂。笔者采用一系列理化检验 方法,分析了该齿轮断裂的原因,以避免该类事故再 次发生。
1 理化检验
1.1 宏观观察
该行星齿轮材料为20CrMnTi钢,热处理工艺 为 渗 碳 + 淬 火 + 回 火,渗 碳 硬 化 层 深 度 为 0.90~1.35mm,表面硬度为56~62 HRC,心部硬 度为35~45HRC,齿轮内孔压装了一个黄铜衬套。 断裂齿轮宏观形貌如图1所示,由图1可知:齿轮有3处发生了断裂,均在齿根部,齿轮内表面可观察到 明显的摩擦痕迹。异常摩擦引起齿轮内壁发热进而 发生回火,根据摩擦区域的颜色判断,回火温度为 300~350 ℃,高于齿轮的正常回火温度(180℃)。断口上可观察到明显的放射线,根据放射线方向可初 步判断齿轮的开裂源位于图1b)中标注区域,断裂 类型属于疲劳断裂。
1.2 化学成分分析
在齿轮断口附近取样,采用直读光谱仪进行化 学成分分析,结果如表1所示。由表1可知:齿轮化 学成分 符 合 GB/T3077—1999 《合 金 结 构 钢》对 20CrMnTi钢的要求。
1.3 金相检验
根据 GB/T13298—2015 《金属显微组织检验 方法》的要求,截取断裂齿轮断口截面及垂直于断口 截面的试样,试样经镶嵌、磨制、抛光后将其置于光 学显微镜下观察,发现齿轮内孔及齿部有若干裂纹 分布,裂纹呈应力开裂特征(见图2)。
将试样按 GB/T10561—2005 《钢中非金属夹 杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》进行非金 属夹杂物评定,发现各类非金属夹杂物等级均小于 1.0级。试样经4%(体积分数)硝酸酒精溶液侵蚀 后,其正常部位表层组织为细针状马氏体+粒状碳化 物,心部组织为板条状马氏体(见图3)。图4为齿轮 内壁的显微组织形貌,腐蚀后齿轮内壁附近颜色较 深,原因是擦伤后导致齿轮内壁附近组织发生回火, 回火组织更易腐蚀,造成该区域显微组织颜色较深。
1.4 硬度及硬化层深度测试
用 HMV-2T 型显微硬度计测试齿轮硬化层, 其表 面 硬 度 为 61~62 HRC,心 部 硬 度 为 39~ 40HRC;根据 GB/T9450—2005《钢件渗碳淬火硬 化层深度的测定与校核》,测试齿轮的硬化层深度为 1.10~1.15mm。
1.5 断口分析
采用JSM-6610LV 型扫描电镜(SEM)观察齿 轮断口的微观形貌,结果如图5所示。从图5可知: 齿轮断裂形式属于疲劳断裂,断口可见圆弧状疲劳 贝纹线。开裂源尖角处可观察到微裂纹,且开裂源 区域可见擦伤痕迹,裂纹扩展区既有解理特征又有 韧窝特征,属于混合断口[7]。
2 综合分析
由上述理化检验结果可知:齿轮的化学成分、显 微组织、硬度及硬化层深度均符合相关标准要求,由此可基本判断齿轮的加工制造过程无明显问题。在 齿轮内壁发现多处摩擦擦伤及磨损缺陷,断口SEM 形貌显示开裂源尖角处有微裂纹,且在开裂源区域 发现明显擦伤痕迹,由此推断齿轮发生过异常的摩 擦磨损。同时,断口 SEM 形貌可见明显疲劳贝纹 线,裂纹扩展区既有解理特征又有韧窝特征,由此判 断齿轮断裂属于疲劳断裂。 综合上述分析结果,结合齿轮的具体工作环境 和受力特点,可判断齿轮在服役期间,由于齿轮内的 黄铜衬套与齿轮内壁发生摩擦,因此内壁发生了磨 损擦伤,擦伤区域易产生应力集中。在正常载荷下, 擦伤区域 过 早 地 萌 生 裂 纹,进 一 步 扩 展 发 生 疲 劳 断裂。
3 结论及建议
齿轮内壁和齿轮内的黄铜衬套发生摩擦导致齿 轮内壁磨损擦伤,擦伤区域产生应力集中引起齿轮 发生疲劳断裂。 建议加强齿轮内壁异常摩擦原因的排查,检查 齿轮的润滑情况以及安装过程是否合格,排查齿轮 与黄铜衬套之间是否有异物卷入。
参考文献: [1] 周智慧,龚仁春,刘建芳,等.差速器行星齿轮结构优 化[J].南方农机,2018,49(19):21-23. [2] 吴四二.地铁车辆转向架齿轮箱失效型式分析[J].现 代城市轨道交通,2021(1):29-34. [3] 郭明亮,王兴华.浅析差速器行星齿轮与轴磨损原因 及改善措施[J].内燃机与配件,2019(17):64-65. [4] 杨辉,冯军.差速器磨损原因分析[J].理化检验(物理 分册),2008,44(7):378-381. [5] 林钒.齿轮 失 效 模 式 形 成 分 析 [J].工 程 技 术 研 究, 2019,4(7):207-208. [6] 李奕晓.齿轮 失 效 的 几 种 形 式 [J].四 川 水 泥,2015 (7):55. [7] 张智.金属断口分析技术在汽车检测中的应用[J].科 技传播,2016,8(11):235-237
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