某型汽車變速箱中間軸失效分析

李俊，張春華，劉紅，沈超

（1.國家汽車質量監督檢驗中心[襄陽]，襄陽441004；2.韶關飛翔自動變速箱有限公司，韶關512000）

某型汽車變速箱中間軸失效分析

李俊1，張春華2，劉紅1，沈超1

（1.國家汽車質量監督檢驗中心[襄陽]，襄陽441004；2.韶關飛翔自動變速箱有限公司，韶關512000）

通過宏觀斷口、硬度測定、金相組織分析、生產工藝等的檢查，對失效變速箱中間軸斷裂原因進行了分析和研究。結果表明失效中間軸斷裂的原因主要出現在熱處理過程的控制和校正后的零件檢查兩環節上。熱處理設備密封性能差容易導致熱處理的零件質量不穩定，同時在校正后工藝流程缺少探傷檢查環節，導致有裂紋缺陷的零件最終流入了成品庫。

中間軸、疲勞試驗

李 俊

武漢理工大學機械工程及其自動化專業畢業，現任國家汽車質量監督檢驗中心（襄陽）總成試驗室主管工程師，主要研究方向為傳動系統試驗研究。

某型汽車變速箱在進行總成疲勞壽命臺架試驗過程中，在進行2檔疲勞壽命試驗時出現齒輪異響現象，拆檢發現變速箱中間軸出現斷裂。該變速箱2檔疲勞試驗實際循環次數為20萬次，未達到試驗標準要求的200萬次循環次數，初步判定為樣件早期失效。為分析其根本失效原因，本文主要從試驗條件及力學分析、硬度測定、金相組織分析、加工工藝、零件結構等方面對失效零件進行了分析和研究。該中間軸材料及熱處理工藝為：

(1) 材料：20CrMnTi 。

(2) 熱處理工藝：滲碳淬火。

(3) 熱處理要求：有效硬化層深度為（0.84 ～1.35）mm，表面硬度為（58～63）HRC,芯部硬度為(35～45) HRC。

1 檢測方法及結果

1.1 粗視分析

斷裂部位在中間軸2檔齒輪與1檔齒輪之間，斷口邊緣無明顯塑性變形，呈疲勞斷裂，斷面位于中間軸1檔齒輪齒寬方向靠近齒輪出刀位末端。斷口部位見圖1，斷面見圖2。

1.2 試驗條件及力學分析

該變速箱在進行總成疲勞壽命試驗時，試驗扭矩和試驗轉速均按試驗規范進行，試驗采用排檔一次試驗循環的試驗方式，試驗規范規定試驗檔位為2檔、3檔、4檔，變速箱失效時正在進行2檔試驗。同時在變速箱失效前，變速箱及試驗臺運轉平穩未發現異常情況。

在排除試驗臺狀況、試驗準備等干擾因素后對變速箱失效中間軸進行力學分析。從圖3中間軸試驗工況受力示意圖可以分析出，該變速箱中間軸在失效斷口位置處不承受該軸傳遞的扭矩，只承受輸入軸常嚙合齒輪和輸出軸2檔齒輪對中間軸產生的彎矩。同時從結構上重新校核斷口位置的設計應力值，該應力值滿足理論要求，因此初步排除中間軸力學設計的缺陷。

1.3 硬度測定

對失效中間軸失效部位的表面及心部進行了洛氏硬度測試，其結果見表2 。由結果可以看出，硬度也符合技術要求，但是表面硬度值有點偏高。

表2 中間軸表面及心部硬度值檢驗結果

1.4 金相組織分析

在失效中間軸斷口位置取金相試樣，金相試樣經磨制后，在顯微鏡400倍放大倍數下觀察了斷口處的金相組織，其結果見表3。其中碳化物金相圖見圖4，殘余奧氏體及馬氏體金相圖見圖5，心部組織圖見圖6。由結果可以看出，碳化物和殘余奧氏體及馬氏體檢測符合技術要求，但是技術等級有點偏高。

表3 中間軸金相組織檢驗結果

但是在顯微鏡下觀察到失效斷口處的齒面上有3條細裂紋，裂紋深度在（0.4～0.6）mm，齒面裂紋見圖7。

為更好地分析失效斷口處齒面上觀察到的裂紋是在中間軸失效過程中形成的還是中間軸本身就存在這樣的缺陷，需要對同一批次未進行試驗的成品中間軸進行抽檢并對齒面進行探傷檢測。采用著色法探傷進行抽檢，抽檢結果顯示有部分樣件存在齒面裂紋的情況。為了進一步分析原因，選取了一件齒面有裂紋的成品中間軸進行了硬度和金相組織分析檢驗。齒面有裂紋成品中間軸的著色法探傷檢測照片見圖8，硬度檢驗和金相組織分析檢驗結果見表4，碳化物金相圖見圖9，殘余奧氏體及馬氏體金相圖見圖10，心部組織圖見圖11。

表4 硬度檢測和金相組織分析檢驗結果

從表4結果可以看出，失效中間軸的同一批次的成品還存在齒面裂紋的缺陷及碳化物、殘余奧氏體、馬氏體不合格等問題。

1.6 中間軸校正工藝復查

中間軸屬于長軸系零件，在熱處理過程中容易變形，需要對熱處理后的成品進行尺寸檢測，檢測不合格的產品需要進行校正。中間軸的校正方法及要求為：對試樣進行三點測量，如果三個點中的同軸偏差超過0.5 mm，就必須進行校正。校正的工藝為人為對零件進行下壓，使偏差減小，直到滿足技術要求為止。經復查該項工藝正常。

1.7 中間軸結構與表面粗糙度以及磨齒工藝

在設計中間軸時，1檔齒輪存在滾刀出刀位區域，1檔齒輪齒面滾刀出刀位處表面粗糙度為Ra6.3。查閱磨齒工藝得知，1檔齒輪齒面的磨削余量為(0.3～0.35) mm，每次進刀量均不大于0.04 mm，磨削后1檔齒輪齒面粗糙度為Ra0.8。同時1檔齒輪磨削齒面與滾刀出刀位區域之間是平滑過渡的斜面，不存在應力集中的情況。

2 分析與總結

通過對失效樣件宏觀分析發現，斷口邊緣無明顯塑性變形，裂紋經過的地方呈現疲勞帶，可以判斷為疲勞斷裂[1]。出現這樣的情況是由于失效部位齒面裂紋受到循環的彎矩作用，裂紋尖端處反復進行銳化和鈍化，如此重復就產生了疲勞帶。

通過對失效樣件及抽檢樣件進行硬度測定、金相組織分析、生產工藝的檢查，分析得出失效樣件斷裂的原因主要出現在熱處理過程的控制和校正后的零件檢驗兩個環節：

（1）失效樣件同一批次的中間軸在進行滲碳淬火時使用井式爐，這種熱處理爐的密封性能差容易導致熱處理的零件質量不穩定，從同一批樣件的碳化物與殘余奧氏體、馬氏體的含量差別較大可以體現出來。

（2）由于中間軸零件屬于長軸系零件，熱處理工藝控制不嚴格容易產生變形，變形的零件在校正中容易造成局部應力集中并進一步產生裂紋。

（3）中間軸在進行校正流程后，工藝流程缺少探傷檢測環節，導致有裂紋缺陷的零件最終流入了成品庫。

針對上述失效原因，結合樣品生產廠家的實際情況提出如下改進建議：

（1）更換熱處理設備，建議將井式爐更換為密封箱式爐。提高中間軸的熱處理質量及穩定性。

（2）加強對產品的檢驗質量控制，在工藝流程中增加探傷檢測抽檢環節，提高入庫成品中間軸的合格率。

樣品生產廠家采納了上述建議并實施完成了技術改進，改進后的中間軸零件的質量顯著提高，中間軸在變速箱2檔進行200萬次循環次數試驗后未出現損壞，同時變速箱順利通過了疲勞臺架壽命試驗。

[1] 鐘群鵬, 趙子華.斷口學[M].高等教育出版社, 2009

專家推薦

鄧祖國：

對變速器中間軸在臺架疲勞試驗中的早期斷裂，進行了研究和分析，查明了失效原因，提出了改進建議。試驗驗證表明，提出的改進措施十分有效。本文的分析和總結對類似的工作有較好的借鑒作用。

The Failure Analysis of Certain Auto Gearbox Intermediate Shaft

LI Jun1, ZHANG Chun-hua2, LIU Hong1, SHEN Chao1
（1.National Automobile Quality Supervision And Test Center [Xiangyang], Xiangyang 441004; 2. Shaoguan Future Auto Transmission Co.,Ltd, Shaoguan 512000）

By the checking of macroscopic fracture surface, hardness testing, metallographic analysis, production process, etc., the reason why the gearbox intermediate shaft fractured is analyzed and researched. The results show that the failure of the intermediate shaft fracture mainly because of the heat treatment process control and the parts check after calibration in the two aspects. The poor pressurize performance of heat treatment equipment easily leads to unstable quality parts of heat treatment. At the same time, the process lacks the check links of flaw detection after calibration, resulting in cracks defective parts finally flowed into the finished products warehouse.

Intermediate Shaft; Fatigue Test

TG157

A

1005-2550（2015）06-0061-03

10.3969/j.issn.1005-2550.2016.01.012

2015-08-10