某款變速器中間軸斷軸失效分析

程森，馬卓，宋萌萌，王成清

(浙江萬里揚股份有限公司，浙江金華 321025)

0 引言

軸類零件失效與其設計剛性、材料、熱處理工藝以及載荷等密切相關。對失效工件進行相關分析，并進行適當優化，達到使用要求，是產品質量問題處理的最基本手段。文中即通過對失效工件的宏觀、微觀分析、理論計算后，擬出初步對策，并進行實驗驗證，確定最佳的解決方案，形成解決此類型故障的思路和方法，供同行參考。

1 材料和熱處理工藝

某款變速器中間軸爬坡擋處在臺架實驗進展到標準要求的25%時出現斷裂情況。此中間軸材料為20CrMnTiH材料，采用滲碳淬火熱處理方法，要求“硬化層深0.7～1.1 mm，表面硬度58～63HRC，心部硬度33～45HRC”。

2 理論計算模型的建立和計算

該款變速器基于MASTA計算模型2D視圖如圖1所示，計算條件如表1所示。

圖1 MASTA計算模型

表1 7TS60-WLY-100變速器MASTA計算輸入條件

計算結果如表2—表3所示。

結論：從計算的結果與同類產品的對比看，爬坡擋齒輪副接觸疲勞強度相對偏弱；中間軸疲勞強度相對偏弱。

3 臺架實驗結果與討論

3.1 宏觀斷口形貌

經過臺架實驗，爬坡擋運行55～60 min(進展約25%)后，出現中間軸斷裂，其余擋通過臺架實驗。

端裂位置發生在圖1所示中間軸的截面B，嚙合齒面未出現明顯的點蝕現象，端面比較平齊。斷裂件如圖2所示。

圖2 中間軸斷裂位置與斷裂處端面形狀

3.2 熱處理金相分析

表面硬度： 61.5HRC；心部硬度： 39HRC；硬化層深： 0.916 mm；M+Ar：3級；K：1級；非M：0.012 mm。

結論：符合要求。

3.3 材質光譜分析

經對故障件進行材質光譜分析，其各元素成分如下：

αC=0.221%，αSi=0.279%，αMn=0.922%，αP=0.008 2%，αS=0.008 8%，αCr=1.089%，αMo<0.010%，αNi=0.008 5%，αCu=0.031%，αAl=0.042%，αFe=97.20%。

結論：對照20CrMnTiH材料組織成分，符合要求。

4 原因分析與改進措施

從上述理論計算，和金相、組織分析來看，中間軸斷裂比較異常，而且斷裂面并非發生在最薄弱的截面A處，斷口比較整齊，屬于脆性斷裂。

經過總結分析，原因初步鎖定為：軸的剛性不足，加載時軸產生了撓曲，造成爬坡擋齒輪副嚙合時接觸不良，其接觸面集中在爬坡擋齒輪副的截面B側，所以中間軸截面B附近局部壓力大，首先局部被“啃傷”，進一步削弱了中間軸此處的強度，然后造成斷裂。

針對以上原因分析，制定改進措施如下：

(1)增加硬化層深度，硬化層深由0.7～1.1 mm，提升一個規格，調整為1.0～1.3 mm；

(2)對二軸爬坡擋齒輪進行齒向“錐形”修形，改善加載后嚙合時的接觸狀態。通過MASTA計算后的修形量如表4和圖3所示。

表4 爬坡擋齒輪微觀修形參數

圖3 通過MASTA計算的修形量

5 試驗與驗證

實驗方法：采用機械封閉變速器疲勞強度試驗臺，兩臺變速器背靠背安裝，靠加載電機一側的為主試箱，另一臺為陪試箱。加載電機對主試箱的輸入扭矩為480 N·m，轉速為1 680 r/min 。

實驗狀態及對應結果如表5所示。

經試驗結果顯示，L4狀態最佳。

表5 實驗狀態及對應結果

6 結論

對于類似此例變速器中間軸斷裂問題，主要是由于齒面載荷分布異常形成了中間軸上的強度缺陷，從而導致異常斷裂。因而解決問題的最佳思路是通過“加深軸的硬化層深度”以及“對嚙合齒輪進行齒輪修形”，以提高齒面的實際強度和受力時的嚙合狀態，避免失效問題的產生。加深軸的硬化層深度時，也不得過深，要考慮齒頂淬透的危險。

齒向修形時，首先要注意修形方向，如此例中由于中間軸最大撓曲量在中部，故修形后，初始未加載嚙合時，嚙合面接觸在A側，加載后才可保證A-B側整個齒面基本全嚙合；其次要注意修形量，修形量與載荷強相關，一般是先通過MASTA進行修形模擬計算，再通過臺架實驗進行驗證，并通過觀察臺架失效件的齒輪嚙合面的接觸處磨損情況，進行微調得出最佳修形量。