某乘用車手動變速器齒輪失效分析

曹華+鄧克旺

摘 要：手動變速器是乘用車動力總成的關鍵部件，本文針對某乘用車變速器倒擋齒輪失效的問題進行分析，采用化學方法、機械性能檢驗方法、齒面分析、齒輪嚙合區分析等方法。結果表明變速器中引起齒輪失效的主要問題是齒輪發生剪切疲勞開裂，發生開裂的位置在于偏載齒面圓表面的夾雜物聚集區，分析齒輪的失效原因，引起失效問題的可能原因是齒輪受到過大載荷、載荷作用方向發生偏置以及齒輪表面有夾雜物的存在。

關鍵詞：齒輪；失效分析；疲勞

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.05.022

變速器是汽車傳動系統中重要裝置之一，其性能的優劣對整車的性能有較大的影響，對乘用車的動力性、燃油經濟性等有較大影響，因此在設計乘用車手動變速器結構參數，確定批量生產變速器之前，需要對變速器試樣做臺架實驗以及將變速器試樣安裝在實車上進行路面測試來驗證變速器的可行性及實用性。在實驗測試過程中，反復多次進行重復性實驗，來檢測所設計變速器的性能，分析實驗測試結果，優化變速器結構參數，提升變速器的性能，從而提高整車的性能。

1 齒輪失效問題

某乘用車在設計開發新車型過程中對一款新設計的手動變速器進行臺架試驗，檢驗手動變速器在多次反復試驗測試下的性能以及是否發生異常現象等，經過多次反復的臺架實驗測試后停機，然后拆開變速箱課題檢查變速器內部的零部件是否出現異常現象，發現經過多次重復性試驗后，變速器內的倒擋齒輪發生了打齒失效的異常現象，其中失效形式是倒擋齒輪齒面發生疲勞開裂后碎片落在機組殼體底部，其他檔數的嚙合齒輪未發現異常現象。

2 檢驗及分析

2.1 齒輪材料的元素檢測分析

將失效的倒檔齒輪從變速器中取出，用線切割技術切下開裂位置處少許的樣件，將樣件置于光譜儀中檢測樣件中各金屬元素的含量，并結合CS600碳硫分析儀測定樣件中碳、硫元素的含量，檢測結果表明C的含量為0.19%、Si的含量為0.22%、Mn的含量為0.82%，P的含量為0.01%，S的含量為0.01%，Cr的含量為1.09%，Ti的含量為0.08%，各元素含量均滿足技術要求，因此齒輪發生失效的原因并不是材料的問題。

2.2 熱處理質量檢驗分析

在齒輪疲勞開裂的位置選擇磨損最小的部位，采用線切割技術取出樣品，然后分別使用180#、280#、400#、800#砂紙來打磨試樣，隨后對打磨后的試樣進行粗拋和精拋，之后使用濃度為4%的硝酸酒精來腐蝕精拋后的試樣5s后，最后用純凈水清洗試樣并快速地將試樣吹干，至此完成金相試樣的試制，將制備好的試樣置于Ⅶ-5型維氏硬度計中檢測試樣表明的硬度以及有效硬化層深度，檢測結果表明金相組織成份為馬氏體和2級殘余奧氏體，滿足殘余奧氏體1-3級視為合格試樣的技術要求；心部硬度為353，滿足320-450的合格技術要求；表面硬度為720、滿足表面硬度≥680的合格技術要求；試樣的有效硬化層深度為0.54mm，滿足有效硬化層深度在0.40-0.70之間的合格技術要求，可知齒輪材料的熱處理工藝質量都滿足技術要求，排除此項原因。

2.3 端口分析

對于失效倒擋齒輪的斷口位置，采用儀器SZX12型顯微鏡觀察失效齒輪斷口位置的形狀，在顯微鏡中看到失效齒輪的斷口形貌，由此可判斷導致齒輪失效的主要原因是剪切疲勞斷裂，引起齒輪失效的負載是呈線性變化，負載作用于齒輪的齒形與中間傳動軸嚙合側節圓部位的次表面，載荷的偏置造成此區域發生開裂，也是失效最為嚴重的區域。另外，在開裂最嚴重區域的附件區域失效的形貌為放射狀的裂紋。

2.4 齒輪嚙合區分析

為了放大齒輪嚙合區的形貌圖便于觀察分析失效的原因，同樣將失效的齒輪置于SZX12型顯微鏡下，失效齒輪的兩側齒面的形貌圖，由圖可見，失效齒輪與中間傳動軸嚙合處的右側齒面之間存在明顯的壓痕，該側的齒面磨損較嚴重，而另一側的齒形磨損量相對右側齒面的磨損明顯則較少。

2.5 電鏡檢測及能譜分析

利用超聲波清洗機和丙酮清洗劑來清洗失效的齒輪試樣，采用MERLIN Compact型長發射掃描電鏡對失效齒輪的斷口位置進行檢測分析微觀方面的變化。由檢測結果可知失效齒輪的斷口位置有一塊呈現橢圓形的裂紋拓展區，產生這種裂紋形貌的原因是由于剪切疲勞引起這種失效形式，而且分析裂紋的分布狀態可知疲勞源是呈線性變化，而且疲勞源作用失效齒輪與中間軸嚙合側節圓位置的次表面。另外，通過電鏡觀察失效齒輪的微觀變化，可知在疲勞開裂區內有許多呈顆粒狀的夾雜物分布在該區域，并且這些顆粒狀的夾雜物從該區域脫落后在齒面上殘留下一些小坑，這些小坑的存在影響了齒輪之間的嚙合效果，影響了手動變速器整體的性能。

分析失效齒輪區域內顆粒狀夾雜物的來源，以及對失效齒輪疲勞開裂處周圍的基體進行能譜分析，對顆粒狀夾雜物的能譜分析結果，由能譜圖可知顆粒狀夾雜物的主要成份是鋁和氧，而失效齒輪疲勞開裂處周圍基體的能譜，可知其主要成份為金屬成份錳和鐵元素，以及非金屬成份C元素。因此，可知在失效的倒擋齒輪與中間軸嚙合區域的顆粒狀夾雜物及其周圍的基體主要是氧化鋁。

3 結束語

基于上述的分析，乘用車手動變速器倒擋齒輪的失效形式為剪切疲勞開裂，發生失效的主要原因在于失效齒輪與中間軸嚙合處的節圓部分存在顆粒狀夾雜物以及其周圍的基體，經能譜分析可知顆粒狀夾雜物的成分是氧化鋁，使齒面發生磨損，反復地進行臺架實驗過程中失效齒輪疲勞開裂處的裂紋不斷擴展。

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