安全胜于一切

汽车螺旋锥齿轮失效的检验与原因分析-月期刊网机械发表[应用] 汽车螺旋锥齿轮失效的检验与原因分析 任军浩 摘要:汽车后桥主动螺旋锥齿轮出现剥落是较为多见的故障，为了找出失效原因,本文对汽车螺旋锥齿轮失效的检验与原因进行了分析。 关键词: 汽车;螺旋锥齿轮;失效;检验;原因分析 汽车在行驶期间，其螺旋锥齿轮在汽车齿轮内承受的力度较大，且随着滑动速度逐渐增大而使得油膜条件恶劣，而接触处应力受到润滑条件的限制也不断增大，这些都会引起汽车内部结构运行效率低下。一般失效形式有轮齿折断、疲劳剥落、严重磨损等。 1汽车螺旋锥齿轮失效的检验 1.1 宏观检验 从宏观检测可知，小断面上出现各种大小不一的鱼鳞状花样，鳞片的尖端则朝着齿面。可观察到小窄条的前半段有各种不同的波纹，主要状态为平行样式，而后半段则不断变成整齐、规则的贝纹。进一步研究显示，平行波纹主要结构组成为相邻被拉长的鳞片。观察凹侧齿面的疲劳源及其附近的贝纹花样，可得出该花纹是鳞片构成。详细观测疲劳源之后，没有观察到其它杂物质。 通过另一个方面观察可知，失效齿轮的凸侧齿面磨损情况相对其它地方严重，且齿顶棱缘均受到了磨锐，齿顶周围的点蚀、沟槽磨损带较为清晰。齿面的表面粗糙度Ra?50μm。而从动轮齿面受损程度较小，凸侧齿面啮合位置的加工痕迹明显。根据这些情况能判断出，主动轮凸侧齿面接触存在异常，给齿顶结构造成很大的接触力，最终造成不同程度的磨损。 1.2硬度、组织检验及化学成分分析 根据化学试验得出具体的成分内容，如:主动轮表层硬度59,60.5 HRC，心部硬度43HRC，齿顶渗层厚度1.42 mm。从动轮表层硬度62HRC，心部硬度35 HRC，齿顶渗层厚度1.47 mm。相关的技术为:主动轮60,65 HRC，心部34,45 HRC，渗层厚度1.7,2.1 mm。参照这些数据则可得知，主动轮表面的渗层厚度小、硬 度低。失效齿轮的渗层结构从整体上观察，渗层中马氏体较细，仅有少量的奥氏体残留物。马氏体与残留奥氏体均?4级，这些与标准参数相吻合。 2 造成失效的因素 (1)考虑到该齿轮凸侧齿面并没有相互接触，造成齿顶周围局部接触压应力不断变大。同时，渗层的相关指标也出现变动，如:硬度、粗糙度、滑动速度较等，这些异常变化都会造成齿顶出现磨损。 (2)如果齿顶出现点蚀、沟槽磨损情况，当其受到其它方面应力影响时则会加重腐蚀而出现裂缝，如:接触压应力、表面压应力等，这会使得裂纹周围区域也出现不同程度的受损，最终导致表面开裂。当表面有裂纹形成时，裂纹垂直齿面则会向渗层内不断散开而产生垂直小断面，此时变化出现疲劳源。 (3)汽车螺旋锥齿轮失效的因素通常都比较复杂，每一种情况都必须要考虑在内。当裂纹出现不同的转移情况时，其也是因为不同的原因造成，如:?经试验得出，裂纹垂直扩展的切应力τ0在0.5b处达最大值，越往里面这一指标则不断减小，这就使得垂直扩展难以持续进行;?裂纹继续沿垂直方向扩展则会到达裂纹扩展阻力较大的心部区，阻碍了裂缝的转移;?水平扩展的早期阶段为接触疲劳破坏，这多数是由于切应力造成，且交界处的切应力/抗剪强度值达到极值，这些说明心、表交界有助于裂纹扩散。渗层厚度较小时，其会造成心、表交界移至距表面的距离更小，最终导致沿结合部开裂、剥落。 (4)如果裂纹现象不断扩大到一定程度后，如:到达凹侧齿顶区的心、表交界处之后，则会造成凹侧齿面出现疲劳源。此疲劳源附近是鳞片组成的贝纹花样，这显示造成裂纹扩散的因素是切应力造成。另外，疲劳裂纹不断受到凸、凹侧的交变应力的影响，而开始沿心、表交界周围蔓延，导致渗层与基体分离。若凸、凹侧裂纹在扩展期间与齿顶相接，则出现倒“V”字形棱脊。而基体分离的结构则相对独立开来，其犹如一个悬臂梁，会因为裂纹扩展而不断增大。 (5)目前，剥落面上常见的贝纹线包括:鳞片构成的贝纹线、普通贝纹线，每种贝纹线都有着自己的特点。鳞片或波纹状花样则是由于接触疲劳剥落的断口 在切应力作用下造成。贝纹线则是由于正应力造成，这同样是导致贝纹线的因素，而下部非啮合区中的切应力为零，但同样会出现贝纹线，该现象说明本断口上的贝纹线不是受到切应力作用形成。进一步研究显示，瞬断区是正应力造成的折断，根据这一点说明瞬断区与贝纹区邻接处的形貌也是受力影响造成。 3 结论 (1)齿面非正常接触会使得齿顶附近局部接触应力不断变大，这是导致齿面早期剥落的重要因素。晶界弱化及渗层厚度较小时，则会导致剥落速度加快，且齿轮结构受损程度加重。而齿面非正常接触与装配等因素相关，晶界弱化则是由于酸洗未采取去氢操作等因素造成，这些对于齿轮结构的稳定性都是不利的。 (2)此次研究的齿轮结构和常规结构存在较大的差异，一般工件的深层剥落都是源自距表面的平行层面，而此次选择的齿轮齿面深层剥落是源自与齿面垂直的小断面，该现象则是属于失效齿轮特征。 (3)剥落初期多数为交变切应力原因所致，使得断口花样为鳞片状、波纹状，该阶段的断口属于接触疲劳。贝纹区出现的裂纹扩展问题，多数是因为油压等产生的正应力所致。 经过对汽车螺旋锥齿轮失效因素分析后，我们可以判断造成失效的主要因素为受力作用的影响，从而造成了各种齿轮搭配之间出现问。齿轮内部的各个结构受损程度加深，影响到了齿轮精度。这就需要生产厂严格按照精度要求进行装配、加工，放置齿面间非正常接触。 参考文献: [1]张栋,钟培道,陶春虎,等.失效分析[M].北京:国防工业出版社, 2004: 204. [2]金荣植,刘志儒.稀土快速渗碳工艺[J].金属热处理, 2004, 29(4): 44. [3]束德林.工程材料力学性能[M].北京:机械工业出版社, 2003:179-181.