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瀏覽:- 發布日期:2022-08-19 11:21:11【

摘 要:某車輛差速器行星齒輪在運行過程中發生早期斷裂。采用宏觀觀察、化學成分分析、硬 度測試、金相檢驗和斷口分析等方法分析了行星齒輪斷裂的原因。結果表明:齒輪內的黃銅襯套與 齒輪內壁發生摩擦,導致齒輪內壁磨損擦傷,擦傷區域產生應力集中使齒輪發生疲勞斷裂。建議加強 檢查齒輪的潤滑狀況、安裝過程、齒輪與黃銅襯套之間是否有異物卷入,以避免齒輪發生異常摩擦。 

關鍵詞:行星齒輪;疲勞斷裂;摩擦;磨損;應力集中 

中圖分類號:TG115.2 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2022)07-0065-03


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 0.90~1.35mm,表面硬度為56~62 HRC,心部硬 度為35~45HRC,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。

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/T3077—1999 《合 金 結 構 鋼》對 20CrMnTi鋼的要求。 

1.3 金相檢驗 

根據 GB/T13298—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)。

將試樣按 GB/T10561—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。

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~ 40HRC;根據 GB/T9450—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 1.10~1.15mm。


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]。

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。


參考文獻: 

[1] 周智慧,龔仁春,劉建芳,等.差速器行星齒輪結構優 化[J].南方農機,2018,49(19):21-23.

[2] 吳四二.地鐵車輛轉向架齒輪箱失效型式分析[J].現 代城市軌道交通,2021(1):29-34. 

[3] 郭明亮,王興華.淺析差速器行星齒輪與軸磨損原因 及改善措施[J].內燃機與配件,2019(17):64-65. 

[4] 楊輝,馮軍.差速器磨損原因分析[J].理化檢驗(物理 分冊),2008,44(7):378-381. 

[5] 林釩.齒輪 失 效 模 式 形 成 分 析 [J].工 程 技 術 研 究, 2019,4(7):207-208. 

[6] 李奕曉.齒輪 失 效 的 幾 種 形 式 [J].四 川 水 泥,2015 (7):55. [7] 張智.金屬斷口分析技術在汽車檢測中的應用[J].科 技傳播,2016,8(11):235-237.



<文章來源   > 材料與測試網> 期刊論文 > 理化檢驗-物理分冊 > 58卷 > 7期 (pp:65-67)>

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