某車型變速器齒轂開裂分析

摘要：針對某型汽車變速器耐久試驗時出現齒轂開裂的原因進行分析。通過宏觀觀察、尺寸檢查、金相檢驗、硬度測試、化學成分分析、SEM分析及有限元分析等檢測和分析方式，結合齒轂的功能和受力情況，對齒轂開裂原因做了相關分析。

關鍵詞：齒轂；粉末冶金；開裂；疲勞裂紋源

隨著汽車NVH性能要求不斷提升，對同步器的要求也在不斷提高。質量輕、精度高、耐磨性好的粉末冶金齒轂得到了越來越多的應用。P750型變速器為麥格納動力總成（江西）有限公司新開發的變速器，采用了粉末冶金齒轂。在進行耐久試驗時，拆箱檢查發現不能正常分離同步器齒轂齒套，進一步拆解發現齒轂U形槽口出現裂紋。隨后開展一系列的分析，確認導致齒轂開裂的原因并采取對應的措施解決該問題。

問題提出

在P750變速器開發階段，耐久試驗箱運行至46%循環時出現齒轂齒套不能正常分離的故障。拆箱檢查發現齒轂U形槽處開裂，如圖1所示。該齒轂材料為D32，工藝路線為“成形-燒結-回火-整形-檢驗”。

理化檢驗

拆出齒轂，從宏觀、微觀、物理、化學和尺寸等方面對齒轂和斷口做進一步的檢查和分析。

1.宏觀觀察

裂紋自U形槽起始，到達腹板根部，幾乎延伸至下一個U形槽，如圖2所示。

2.金相檢驗

在斷口處取金相試樣檢驗，其組織為馬氏體+富鎳奧氏體+貝氏體，無異常，如圖3所示。

3.硬度和密度檢測

斷口處取樣檢測硬度，要求≥300HV5，實測結果合格，檢測數據見表1。

齒轂密度要求為（7.1±0.1）g/mm3，實測7.069～7.095g/mm3，符合要求。

4.SEM分析

打開斷口，使用SEM對斷口形貌做檢查分析（見圖4）。裂紋源區有燒結頸和疲勞輝紋，未發現其他缺陷；裂紋擴展區可見燒結頸和疲勞輝紋；瞬斷區可見燒結頸和韌窩，整個斷面未發現有生坯形貌，如圖5所示。結合斷面的疲勞輝紋和零件工況，零件是在臺架試驗時發生的疲勞斷裂，疲勞源位于U形卡槽端面的倒角處。

5.尺寸檢驗

對齒轂相關尺寸做檢查，現有能檢測的尺寸均合格。

對齒轂U形槽做放大檢查，發現槽口表面存在數量較多的毛刺，如圖6所示。

U形槽表面存在的毛刺會導致表面材料不完成、不連續并增加粗糙度值，成為應力集中源，降低疲勞極限，導致疲勞斷裂[1]。

有限元分析

齒轂強度的有限元分析結果如圖7所示。齒轂應力最大處為花鍵根部和U形槽，但其安全應力值低于材料屈服強度（588MPa），結構和材料強度能夠滿足設計要求。

綜合分析

綜合上述理化檢驗、受力和結構分析，該齒轂的材料、熱處理、結構均滿足設計要求。導致U形槽開裂的原因可能為表面的毛刺缺陷引起應力集中，在交變應力作用下成為疲勞裂紋源，最終引起齒轂疲勞失效。

改進措施

結合上文分析可能的失效原因，安排同批次的齒轂做噴砂去毛刺處理[2]，100%目視和輪廓檢查U形槽表面后再安排裝機耐久試驗，其試驗結果見表2，齒轂經噴砂處理后均通過耐久試驗且檢查無裂紋。據此，齒轂供應商增加噴砂工序或者其他解決毛刺的措施。

參考文獻：

[1] 孫智，任耀劍，隋艷偉.失效分析-基礎與應用[M].北京：機械工業出版社，2017.

[2] 吳松，陳其玲，馬少波，等.粉末冶金零件毛刺的產生原因與去除技術[J].山東冶金，2014，36（4）：4-6.