某車輛差速器行星齒輪早期斷裂原因

張愛敏, 張愛國, 陳鷺濱

(1.山東大學 材料科學與工程學院 材料液固結構演變與加工教育部重點實驗室, 濟南 250061;2.寧陽縣職業中等專業學校 汽車工程系, 寧陽 271400)

隨著交通運輸領域的飛速發展，市場對于車輛傳動系統性能的要求越來越高[1-2]。差速器是汽車變速器最重要的傳動零件之一，由于其不斷地承受著變化的轉速和載荷，容易發生早期失效事故[3-4]。行星齒輪是車輛差速器中的關鍵部件，其穩定性直接決定了差速器的使用壽命。通過分析齒輪失效的原因，制定科學的預防方案,可以提高齒輪的壽命,降低齒輪故障的概率。

齒輪發生故障的原因既可能來源于齒輪自身的缺陷，也可能來源于機械運動等外部因素。齒輪失效的形式一般包括齒輪疲勞折斷、齒輪過載折斷、齒面磨損、齒面點蝕等[5-6]。

某車輛差速器行星齒輪在運行過程中發生了打齒失效，齒輪多處斷裂。筆者采用一系列理化檢驗方法，分析了該齒輪斷裂的原因，以避免該類事故再次發生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

該行星齒輪材料為20CrMnTi鋼，熱處理工藝為滲碳+淬火+回火，滲碳硬化層深度為0.90～1.35 mm，表面硬度為56～62 HRC，心部硬度為35～45 HRC，齒輪內孔壓裝了一個黃銅襯套。斷裂齒輪宏觀形貌如圖1所示，由圖1可知：齒輪有3處發生了斷裂，均在齒根部，齒輪內表面可觀察到明顯的摩擦痕跡。異常摩擦引起齒輪內壁發熱進而發生回火，根據摩擦區域的顏色判斷，回火溫度為300～350 ℃，高于齒輪的正常回火溫度(180 ℃)。斷口上可觀察到明顯的放射線，根據放射線方向可初步判斷齒輪的開裂源位于圖1b)中標注區域，斷裂類型屬于疲勞斷裂。

圖1 斷裂齒輪宏觀形貌

1.2 化學成分分析

在齒輪斷口附近取樣，采用直讀光譜儀進行化學成分分析，結果如表1所示。由表1可知：齒輪化學成分符合GB/T 3077—1999 《合金結構鋼》對20CrMnTi鋼的要求。

表1 斷裂齒輪化學成分 %

1.3 金相檢驗

根據GB/T 13298—2015 《金屬顯微組織檢驗方法》的要求，截取斷裂齒輪斷口截面及垂直于斷口截面的試樣，試樣經鑲嵌、磨制、拋光后將其置于光學顯微鏡下觀察，發現齒輪內孔及齒部有若干裂紋分布，裂紋呈應力開裂特征(見圖2)。

圖2 齒輪裂紋微觀形貌

將試樣按GB/T 10561—2005 《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》進行非金屬夾雜物評定，發現各類非金屬夾雜物等級均小于1.0級。試樣經4%(體積分數)硝酸酒精溶液侵蝕后，其正常部位表層組織為細針狀馬氏體+粒狀碳化物，心部組織為板條狀馬氏體(見圖3)。圖4為齒輪內壁的顯微組織形貌，腐蝕后齒輪內壁附近顏色較深，原因是擦傷后導致齒輪內壁附近組織發生回火，回火組織更易腐蝕，造成該區域顯微組織顏色較深。

圖3 齒輪正常部位的顯微組織形貌

圖4 齒輪內壁顯微組織形貌

1.4 硬度及硬化層深度測試

用HMV-2T型顯微硬度計測試齒輪硬化層，其表面硬度為61～62 HRC,心部硬度為39～40 HRC；根據GB/T 9450—2005 《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測定與校核》，測試齒輪的硬化層深度為1.10～1.15 mm。

1.5 斷口分析

采用JSM-6610LV型掃描電鏡(SEM)觀察齒輪斷口的微觀形貌，結果如圖5所示。從圖5可知：齒輪斷裂形式屬于疲勞斷裂，斷口可見圓弧狀疲勞貝紋線。開裂源尖角處可觀察到微裂紋，且開裂源區域可見擦傷痕跡，裂紋擴展區既有解理特征又有韌窩特征，屬于混合斷口[7]。

圖5 齒輪斷口SEM形貌

2 綜合分析

由上述理化檢驗結果可知：齒輪的化學成分、顯微組織、硬度及硬化層深度均符合相關標準要求，由此可基本判斷齒輪的加工制造過程無明顯問題。在齒輪內壁發現多處摩擦擦傷及磨損缺陷，斷口SEM形貌顯示開裂源尖角處有微裂紋，且在開裂源區域發現明顯擦傷痕跡，由此推斷齒輪發生過異常的摩擦磨損。同時，斷口SEM形貌可見明顯疲勞貝紋線，裂紋擴展區既有解理特征又有韌窩特征，由此判斷齒輪斷裂屬于疲勞斷裂。

綜合上述分析結果，結合齒輪的具體工作環境和受力特點，可判斷齒輪在服役期間，由于齒輪內的黃銅襯套與齒輪內壁發生摩擦，因此內壁發生了磨損擦傷，擦傷區域易產生應力集中。在正常載荷下，擦傷區域過早地萌生裂紋，進一步擴展發生疲勞斷裂。

3 結論及建議

齒輪內壁和齒輪內的黃銅襯套發生摩擦導致齒輪內壁磨損擦傷，擦傷區域產生應力集中引起齒輪發生疲勞斷裂。

建議加強齒輪內壁異常摩擦原因的排查，檢查齒輪的潤滑情況以及安裝過程是否合格，排查齒輪與黃銅襯套之間是否有異物卷入。