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1、F慧、I失效分析汽車后橋弧齒錐齒輪失效分析鄭州華威齒輪有限公司(河南452370)高永強(qiáng)摘要:越野車型后橋錐齒輪運(yùn)行約3萬km后,發(fā)現(xiàn)后橋漏油。拆開后轎發(fā)現(xiàn)從動(dòng)錐齒輪斷成兩塊。一半含11齒的小塊記作S,已經(jīng)掉下來。另一半含28齒大塊記作L(一齒為各半),仍固定在支架上。傳動(dòng)軸上輸入齒輪掉一齒。該小輪為9齒,大齒輪為38齒,傳動(dòng)比為j=4.22。當(dāng)車速為100km/h時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速約3000r/min,變形箱五檔速比為0.9。齒的斷裂屬過大彎曲應(yīng)力斷裂,前進(jìn)(正轉(zhuǎn))及后退均有斷齒。最后在后退(倒車)時(shí)造成齒的基背脆斷,這是彎曲應(yīng)力、軸向力及徑
2、向力綜合作用的結(jié)果。研究認(rèn)為齒圈的斷齒及本體斷裂起因于固定螺栓的松脫,支撐不穩(wěn),產(chǎn)生打齒,最后導(dǎo)致齒圈基背斷裂。關(guān)鍵詞:汽車后橋齒輪;斷齒;基背斷裂;失效分析齒輪副信息如下:(1)問題描述:車輛行駛時(shí)后橋異響,經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)主減速器主從動(dòng)錐齒輪打齒且被齒基背(見斷裂圖l~圖4)。(2)車型:越野車型。(3)發(fā)生故障時(shí)行駛里程:30000km。(4)失效模式:主被動(dòng)齒輪斷裂;被齒基背斷裂。一.?dāng)嗫诤暧^分析該齒由于齒形復(fù)雜、參數(shù)眾多、_I:況多樣(前圖l后橋包圖2小塊Sr圖3半螺孔圖4大端頭掉塊158裂墨墨籠,囂笏篡翳造參磊盧r?進(jìn)一正轉(zhuǎn),倒車一
3、反轉(zhuǎn),加、減速),使其受力復(fù)雜多變(力的方向大小均變),使分析起來難度大大增加。裂紋分析:斷裂分兩部分,即斷齒和基背斷裂。1.?dāng)帻X從小塊說起(見圖2小塊和圖4大端頭掉塊)。從螺孔分半處起記S—l逆時(shí)針排列見圖5。S1~5為主,另半孔在相鄰大塊上一齒為L一28。s—11與L—l為同一齒分?jǐn)嘣趦蓧K上(見斷裂圖6掉塊)。L一28的斷裂起源小端凹面齒根圓角處,在反轉(zhuǎn)時(shí)生成。與s—l、s一2為一組,L一28屬牽連性破壞。s—l、s一2的破壞從大端起。正轉(zhuǎn)時(shí)(前進(jìn)),齒輪的凸面為工作面,第一步先產(chǎn)生大端頭約5mm長的掉角(塊),斷口粗糙,裂紋源位于齒
4、根大端的凸面圓角處,該外是彎曲應(yīng)力最大的部位。由于較大的沖擊造成掉塊(角),其裂紋發(fā)展方向符合彎曲應(yīng)力斷齒的一般規(guī)律。掉塊后又繼續(xù)運(yùn)行之后才產(chǎn)生了S—l斷齒,而S—l起源于凸面齒根,且徑向力指向中心,軸向力從錐頂下壓均與目前撕裂脊一致。因S—l斷裂繼續(xù)正轉(zhuǎn)造成停車,當(dāng)齒輪凹面嚙合(收油時(shí)),造成L一28斷裂,它也起源于凹面齒根圓角彎曲應(yīng)力最大處。這里反轉(zhuǎn)的破壞順序依次為:s一5、S一4和s一3。而L一28處斷齒可能在最后或最先。當(dāng)發(fā)生故障后由于慣性,車?yán)^續(xù)前行(此時(shí)被齒為主動(dòng)),即被齒凹面工作。軸向力從錐頂指向底面,徑向力從圓心指向大端外
5、圓。s一3斷齒起源大端側(cè)內(nèi)弧面(凹)齒根圓角附近,幾乎為全芮寬。其金屬撕裂脊的方向與S一1斷口不同,S一4、S一3僅是“掉角”,而S一5僅大端凹面齒頂受到撞擊尚未斷開。因斷裂時(shí)速度快,沖擊大及齒頂滲碳層深,所以其撕裂脊很淺。這時(shí)的工作切向力、徑向力、軸向力作用點(diǎn)在S一4,s一5位置對(duì)s-l處斷口形成彎曲,使基背從l號(hào)螺孔處斷裂。并向上翹起,同時(shí)徑向力剪斷2號(hào)、3號(hào)螺栓,造成齒背s—ll處斷口。s一4、s一3這種大塊“掉角”式斷裂與沖擊有關(guān),是支撐不穩(wěn)、嚙合失常的表現(xiàn)。s一1齒根中心的撕裂脊(嶺)發(fā)展完整,是心部塑性好的表現(xiàn)。兩側(cè)可見滲層(
6、經(jīng)檢測滲碳層為1.05mm),達(dá)到技術(shù)要求O,9~1.3mm。而s一3、s一4斷齒偏齒頂,這里尺寸薄,已是低碳馬氏體,且速度快撕裂脊較淺,其方向與s一1的斷口明顯不同。2.基背斷裂最終斷裂在基背。小塊有兩斷口,s一1處的斷口是主要的,s一11斷口是牽連性的。這時(shí)應(yīng)是倒車過程,螺栓1早已松脫,凹面工作。軸向力向從錐頂指向底面,徑向力由圓心指向大端,彎曲應(yīng)力也使齒根受彎曲產(chǎn)生的拉應(yīng)力。隨著主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng),該力的方向在不斷變化,工作點(diǎn)越接近螺孔徑向面,該齒圈上翹越高,導(dǎo)致一次性脆斷。最終外側(cè)下方開裂。由于螺孔影響撕裂脊稍有彎曲,而s-11側(cè)的斷面隨
7、著2號(hào)及3號(hào)螺栓斷裂而脆斷,裂紋源位于圖的主源處。小塊隨之甩出,小塊s一1附近斷口在匹配的大塊斷口上留下了向上向外的痕跡,分別是切向力和徑向力作用的結(jié)果。整個(gè)斷過程向外偏移達(dá)約8。之多。基背的斷口粗糙,半螺孔處的斷口是主要的,而s一11附近斷裂是牽連性的。裂紋均起源于內(nèi)圓齒根拐角處,表明存在過負(fù)荷沖擊應(yīng)力,斷口接近脆斷。環(huán)向位干螺孔處,其抗彎曲、抗剪切的截面較小,是應(yīng)力最大的位置。沖擊應(yīng)力是由于螺栓松脫,支撐不穩(wěn)造成的。F蕊話I失效分析二、金相及硬度由于該被動(dòng)齒輪軸材料為20crMnTiH,經(jīng)滲碳淬火+回火,回火后該平面表面硬度要求為58
8、~64HRc;滲碳層要求為0.9~1.3mm,經(jīng)檢測該斷裂的螺紋表面硬度為62.1HRC、61.5HRc、63.8HRC。其表面金相組織為針狀馬氏體(M)+殘留奧氏體組織,該組織屬滲碳淬火組織