某款齒輪齒條式動力轉向器齒輪斷裂分析

睢利銘，周 鵬

（1.河南機電高等專科學校，河南 新鄉453002；2.中航工業新航豫北轉向系統股份有限公司，河南 新鄉453000）

齒輪齒條式動力轉向器在轎車、皮卡、SUV等車型中應用廣泛，屬于轉向器中的一種液壓轉向器。對于此類液壓助力的轉向器,齒輪是轉向器中的關鍵零部件之一,在整個轉向器中起到傳遞力矩，將旋轉運動轉換為直線運動的作用。

某款車型齒輪齒條式動力轉向器的齒輪由42CrMo材料加工，加工后后進行高頻淬火并回火，保證齒部及齒面硬度符合使用要求。該零部件配套車型在行駛3770km時，齒輪發生斷裂，屬早期斷裂現象。為查清事故原因，防止類似事故發生，對斷裂件進行失效分析。

1 殼體斷裂分析

（1）化學成分分析。通過光譜儀檢測，對斷裂件斷口部位化學成分進行分析，結果如表1所示。

表1 化學成分（%）

經檢測符合成分要求。

（2）宏觀觀察斷口。從斷口情況可以看出，齒輪受到較大彎曲內應力，在反復交變力作用下應力釋放產生疲勞斷裂，如圖1所示。

圖1 斷口形貌

（3）硬度檢測。使用硬度計對齒輪齒部表面硬度和心部表面硬度進行檢測，表面硬度614.5HV（要求600～720HV），心部硬度249.2HV（要求230～260HV），淬硬層深度為2.9mm、3.0mm（要求1～3.5mm），均符合技術文件要求。

（4）機械性能檢測。分別在斷裂齒輪的心部和表層取樣，在試驗機上進行拉伸試驗，結果如表2所示，可以看出，齒輪的抗拉強度符合標準要求。

表2 抗拉強度對比

（5）金相檢測。金相是指金屬或合金材料的內部結構，即金屬或合金的化學成分以及各種成分在合金內部的物理狀態和化學狀態。金相組織是反映金屬金相的具體形態，如馬氏體，奧氏體，鐵素體，珠光體等，金屬材料的顯微組織直接影響到機械零件的性能和使用壽命，金相分析是控制機械零件內在質量的一種重要手段。

斷口試樣在400×電子顯微鏡下觀察，組織平衡，屬于正常組織，如圖2所示。

圖2 索氏體2級

（6）CAE分析。模擬齒輪齒條動力轉向器實況工作極限要求，結合國內行業標準對齒輪齒條動力轉向器的要求（輸入軸施加300Nm負荷時殼體不準有損壞)。選擇齒輪齒條動力轉向器整體分析組件（包括齒輪、齒條組件、軸承）進行分析[2]。

模擬總成沖擊過程,在齒輪上施加約束及載荷.對齒輪兩軸承面約束,限制齒輪限位扁,在齒面上施加法向力,因總成重合度為2,近似在兩齒面上施加法向力。

由圖3可以看出,在施加11243N極限法向力后,齒輪最大應力(紅色max標記)出現在齒與縮頸連接處,最大應力932MPa(材料屈服強度),達到臨界屈服狀態.從圖中還可看出,其應力梯度分布不均勻。

圖3 改進前臨界屈服狀態

2 分析和討論

（1）檢查材料成分、硬度、機械性能、金相組織合格，未發現異常。

（2）從斷口情況可以看出，齒輪受到較大彎曲內應力，在反復交變力作用下應力釋放產生疲勞斷裂。

（3）從CAE分析結果上來看，齒輪設計強度較低，受力薄弱環節和斷裂零部件位置相吻合。

3 改進設計

改進后的模型圖如圖4所示.縮頸部位直徑由13mm提升到15mm,考慮到齒形加工過程中退刀，對過渡部位進行大圓角過渡。

由圖4可以看出,在施加15178N極限法向力后,改進后的齒輪最大應力(紅色max標記)出現在齒與縮頸連接處,最大應力932MPa(材料屈服強度),達到臨界屈服狀態。

圖4 改進后臨界屈服狀態

對比分析結果進行統計，如表3所示：

表3 對比分析結果

發現改進后的齒輪強度有較大提高。

4 結語

通過對斷裂齒輪的材料成分、、硬度、機械性能、金相組織、強度進行分析，查出了發生斷裂的原因，并通過增加該款齒輪齒條動力轉向器齒輪薄弱環節的直徑，提高齒輪強度，解決斷裂問題，在后續的一年產品使用過程中未出現斷裂事故，進一步證明了此次改進的有效性。

[1]王昆林.材料工程基礎(第2版)[M].北京：清華大學出版社，2009.

[2]李兵，何正嘉，陳雪峰.ANSYSWorkbench設計、仿真與優化[M].北京：清華大學出版社，2010.