某乘用车手动变速器齿轮失效分析

曹华+邓克旺

摘 要：手动变速器是乘用车动力总成的关键部件，本文针对某乘用车变速器倒挡齿轮失效的问题进行分析，采用化学方法、机械性能检验方法、齿面分析、齿轮啮合区分析等方法。结果表明变速器中引起齿轮失效的主要问题是齿轮发生剪切疲劳开裂，发生开裂的位置在于偏载齿面圆表面的夹杂物聚集区，分析齿轮的失效原因，引起失效问题的可能原因是齿轮受到过大载荷、载荷作用方向发生偏置以及齿轮表面有夹杂物的存在。

关键词：齿轮；失效分析；疲劳

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.05.022

变速器是汽车传动系统中重要装置之一，其性能的优劣对整车的性能有较大的影响，对乘用车的动力性、燃油经济性等有较大影响，因此在设计乘用车手动变速器结构参数，确定批量生产变速器之前，需要对变速器试样做台架实验以及将变速器试样安装在实车上进行路面测试来验证变速器的可行性及实用性。在实验测试过程中，反复多次进行重复性实验，来检测所设计变速器的性能，分析实验测试结果，优化变速器结构参数，提升变速器的性能，从而提高整车的性能。

1 齿轮失效问题

某乘用车在设计开发新车型过程中对一款新设计的手动变速器进行台架试验，检验手动变速器在多次反复试验测试下的性能以及是否发生异常现象等，经过多次反复的台架实验测试后停机，然后拆开变速箱课题检查变速器内部的零部件是否出现异常现象，发现经过多次重复性试验后，变速器内的倒挡齿轮发生了打齿失效的异常现象，其中失效形式是倒挡齿轮齿面发生疲劳开裂后碎片落在机组壳体底部，其他档数的啮合齿轮未发现异常现象。

2 检验及分析

2.1 齿轮材料的元素检测分析

将失效的倒档齿轮从变速器中取出，用线切割技术切下开裂位置处少许的样件，将样件置于光谱仪中检测样件中各金属元素的含量，并结合CS600碳硫分析仪测定样件中碳、硫元素的含量，检测结果表明C的含量为0.19%、Si的含量为0.22%、Mn的含量为0.82%，P的含量为0.01%，S的含量为0.01%，Cr的含量为1.09%，Ti的含量为0.08%，各元素含量均满足技术要求，因此齿轮发生失效的原因并不是材料的问题。

2.2 热处理质量检验分析

在齿轮疲劳开裂的位置选择磨损最小的部位，采用线切割技术取出样品，然后分别使用180#、280#、400#、800#砂纸来打磨试样，随后对打磨后的试样进行粗抛和精抛，之后使用浓度为4%的硝酸酒精来腐蚀精抛后的试样5s后，最后用純净水清洗试样并快速地将试样吹干，至此完成金相试样的试制，将制备好的试样置于Ⅶ-5型维氏硬度计中检测试样表明的硬度以及有效硬化层深度，检测结果表明金相组织成份为马氏体和2级残余奥氏体，满足残余奥氏体1-3级视为合格试样的技术要求；心部硬度为353，满足320-450的合格技术要求；表面硬度为720、满足表面硬度≥680的合格技术要求；试样的有效硬化层深度为0.54mm，满足有效硬化层深度在0.40-0.70之间的合格技术要求，可知齿轮材料的热处理工艺质量都满足技术要求，排除此项原因。

2.3 端口分析

对于失效倒挡齿轮的断口位置，采用仪器SZX12型显微镜观察失效齿轮断口位置的形状，在显微镜中看到失效齿轮的断口形貌，由此可判断导致齿轮失效的主要原因是剪切疲劳断裂，引起齿轮失效的负载是呈线性变化，负载作用于齿轮的齿形与中间传动轴啮合侧节圆部位的次表面，载荷的偏置造成此区域发生开裂，也是失效最为严重的区域。另外，在开裂最严重区域的附件区域失效的形貌为放射状的裂纹。

2.4 齿轮啮合区分析

为了放大齿轮啮合区的形貌图便于观察分析失效的原因，同样将失效的齿轮置于SZX12型显微镜下，失效齿轮的两侧齿面的形貌图，由图可见，失效齿轮与中间传动轴啮合处的右侧齿面之间存在明显的压痕，该侧的齿面磨损较严重，而另一侧的齿形磨损量相对右侧齿面的磨损明显则较少。

2.5 电镜检测及能谱分析

利用超声波清洗机和丙酮清洗剂来清洗失效的齿轮试样，采用MERLIN Compact型长发射扫描电镜对失效齿轮的断口位置进行检测分析微观方面的变化。由检测结果可知失效齿轮的断口位置有一块呈现椭圆形的裂纹拓展区，产生这种裂纹形貌的原因是由于剪切疲劳引起这种失效形式，而且分析裂纹的分布状态可知疲劳源是呈线性变化，而且疲劳源作用失效齿轮与中间轴啮合侧节圆位置的次表面。另外，通过电镜观察失效齿轮的微观变化，可知在疲劳开裂区内有许多呈颗粒状的夹杂物分布在该区域，并且这些颗粒状的夹杂物从该区域脱落后在齿面上残留下一些小坑，这些小坑的存在影响了齿轮之间的啮合效果，影响了手动变速器整体的性能。

分析失效齿轮区域内颗粒状夹杂物的来源，以及对失效齿轮疲劳开裂处周围的基体进行能谱分析，对颗粒状夹杂物的能谱分析结果，由能谱图可知颗粒状夹杂物的主要成份是铝和氧，而失效齿轮疲劳开裂处周围基体的能谱，可知其主要成份为金属成份锰和铁元素，以及非金属成份C元素。因此，可知在失效的倒挡齿轮与中间轴啮合区域的颗粒状夹杂物及其周围的基体主要是氧化铝。

3 结束语

基于上述的分析，乘用车手动变速器倒挡齿轮的失效形式为剪切疲劳开裂，发生失效的主要原因在于失效齿轮与中间轴啮合处的节圆部分存在颗粒状夹杂物以及其周围的基体，经能谱分析可知颗粒状夹杂物的成分是氧化铝，使齿面发生磨损，反复地进行台架实验过程中失效齿轮疲劳开裂处的裂纹不断扩展。

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