汽車(chē)變速器行星齒輪軸斷裂失效分析

■ 王令，李志華

差速器主要由差速器殼體、行星齒輪、半軸齒輪、從動(dòng)錐齒輪、調(diào)整墊片、軸承以及行星齒輪軸等組成，行星齒輪軸的作用是將轉(zhuǎn)矩傳給行星齒輪，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩分配，從而使車(chē)輪實(shí)現(xiàn)差速運(yùn)轉(zhuǎn)，在運(yùn)行過(guò)程中，行星齒輪軸承受扭轉(zhuǎn)力和彎曲力。

1.情況描述

本文對(duì)變速器進(jìn)行差速器耐久性試驗(yàn)，檢測(cè)零部件使用壽命情況。試驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中，變速器出現(xiàn)異響，立即停止試驗(yàn)，拆箱檢測(cè)后，發(fā)現(xiàn)差速器殼體破損，行星齒輪軸斷裂。行星齒輪軸材料為42CrMo，材料執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3077《合金結(jié)構(gòu)鋼》。為保證行星齒輪軸的耐磨性和疲勞強(qiáng)度，本文零件熱處理工藝：淬火+回火+表面氣體滲氮。

2.結(jié)果與討論

（1）宏觀分析 變速器進(jìn)行差速器耐久性能試驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中發(fā)生異響，后進(jìn)行拆箱分析發(fā)現(xiàn)行星齒輪軸斷裂，差速器已破損，如圖1所示，虛線箭頭標(biāo)識(shí)處為斷裂行星齒輪軸。圖2為軸斷口的整體形貌，斷裂源位于圓周表面，且磨損嚴(yán)重，由外向內(nèi)擴(kuò)展，終斷區(qū)位于軸中心區(qū)域。

（2）微觀分析 采用能譜分析儀（S P E C T R O/L A B LAVM10）對(duì)行星齒輪軸進(jìn)行材料化學(xué)成分檢測(cè)，其檢測(cè)結(jié)果如表1所示，行星齒輪軸材料化學(xué)成分均符合GB/T 3077《合金結(jié)構(gòu)鋼》的技術(shù)要求。

圖1 失效的差速器總成

圖2 行星齒輪軸的斷口形貌

表1 行星齒輪軸的材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 行星齒輪軸的硬度和金相組織

采用維氏硬度計(jì)（FUTURE-TECH/LC-200RB）測(cè)量斷裂行星齒輪軸的表面硬度、基體硬度，檢測(cè)前先用標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行校準(zhǔn)；對(duì)斷裂軸的斷口進(jìn)行金相取樣，經(jīng)鑲嵌、打磨、拋光、腐蝕后，采用光學(xué)顯微鏡（ZEISS/HAL100）進(jìn)行顯微金相組織檢測(cè)，結(jié)果如表2所示，表面硬度、基體硬度、氮化層深、氮化物和脆性級(jí)別等均符合技術(shù)要求，但表面疏松達(dá)到4級(jí)，不符合技術(shù)要求，這直接導(dǎo)致零件表面強(qiáng)度下降，在使用過(guò)程易產(chǎn)生裂紋，降低零件的疲勞壽命。

圖3 表面金相組織（500×）

采用掃描電子顯微鏡SEM（EVO18）對(duì)斷口進(jìn)一步分析，圖4為斷口裂紋源形貌，表面存在疲勞輝紋（見(jiàn)圖4b白色箭頭標(biāo)識(shí)），且疲勞紋是沿著圓周方向擴(kuò)展，在整個(gè)圓周方向上先形成一層裂紋，距表面大約1mm，主要原因是行星齒輪軸在變速器內(nèi)受旋轉(zhuǎn)扭力，且零件滲氮后表面形成一層氮化組織，脆性相對(duì)基體大；圖5和圖6分別為擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)SEM形貌，主要表現(xiàn)為解理斷口，表明零件受到外力較大，斷裂速度快；圖7、表3是裂紋源能譜檢測(cè)位置和結(jié)果，其中譜圖1、2、4檢測(cè)部位為氮化合物層區(qū)域，其中譜圖1和譜圖4區(qū)域可見(jiàn)明顯的大量孔隙，對(duì)其進(jìn)行能譜分析，該區(qū)域的氧含量明顯大于譜圖2和譜圖3區(qū)域，且最靠近表面的譜圖4區(qū)域，含氧量最高，遠(yuǎn)超過(guò)其他區(qū)域，表明零件滲氮后表面疏松區(qū)域被氧化，降低表面強(qiáng)度和疲勞性能，導(dǎo)致零件試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生斷裂。

圖4 斷口裂紋源SEM形貌

表3 能譜檢測(cè)結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

圖5 斷口擴(kuò)展區(qū)SEM形貌

圖6 斷口瞬斷區(qū)SEM形貌

圖7 斷口裂紋源能譜檢測(cè)位置

3.結(jié)語(yǔ)

行星齒輪軸滲氮后，表面化合物層疏松組織不合格，試驗(yàn)過(guò)程中受到外力，形成裂紋源，并進(jìn)一步向中心區(qū)域擴(kuò)展導(dǎo)致完全斷裂。