變速器滑桿失效分析

王 強

(上海匯眾汽車制造有限公司,上海 200122)

1 變速器滑桿及失效情況

本次研究的變速器滑桿材料為40Cr,采用淬火+回火的熱處理工藝。變速器滑桿由導桿、截止圓臺和螺紋段3部分組成,如圖1所示。圖1示出了未失效變速器滑桿和斷裂失效變速器滑桿,其斷裂部位位于螺紋段和截止圓臺的過渡處。圖2為滑桿在變速器里的裝配和工作示意圖。裝配時滑桿部分穿過回位彈簧和液壓柱塞相連,滑桿的截止圓臺在無液壓油推動的情況下落座在定位圈中,滑桿螺紋裝配在變速器中的滑塊上,工作時液壓油推動柱塞和滑桿往復運動,并最終推動變速器滑塊定位到工作位置。滑桿正常工作時在螺紋段和截止圓臺過渡處存在周期性的沖擊應力。

圖1 完好滑桿和失效滑桿

2 斷口分析

2.1 斷口觀察分析

圖2 滑桿裝配和工作示意圖

首先用丙酮對失效滑桿的斷口進行超聲波清洗,去除斷口上的油污和固體雜質。然后在顯微鏡下對斷口進行觀察,斷口顯示出斷裂面基本垂直于滑桿軸線。觀察斷口截面,疲勞裂紋擴展充分,疲勞區(qū)大,瞬時斷裂區(qū)小,裂紋擴展快。另外,圍繞斷裂處有放射狀的斷裂擴展線。從斷口起始處開始到最后斷裂區(qū)之間有明顯的貝殼紋[1-2](圖3(a)),裂紋擴展線和貝殼紋表明其有明顯的軸向拉壓疲勞斷裂特征。通過觀察斷裂起源點附近的表面可見明顯的撞擊痕跡(圖3(b)、圖3(c))和明顯的機加工刀紋線(圖3(d))。綜合止回座圈上的痕跡可以推斷,滑桿上的撞擊痕跡為滑桿和座圈撞擊導致。以下為了描述方便,斷口區(qū)域被分為A、B、C、D 4個部分。

2.2 微觀斷口分析

對斷口進行了掃描電鏡觀察(SEM)(圖4),照片顯示在A區(qū)、B區(qū)和C區(qū)有疲勞條帶,在D區(qū)發(fā)現(xiàn)韌窩[2-3]。從A、B、C、D各部位的掃描照片可以觀察到裂紋起源區(qū)(A),擴展區(qū)(A～D間)和斷裂區(qū)(D)。另外,從斷口上可見明顯的疲勞輝紋[2],由斷裂疲勞輝紋和擴展紋方向及磨損程度判斷,裂紋起源于表面A部位并垂直于軸線,向滑桿內部擴展[3]。

圖3 宏觀斷口分析

圖4 微觀斷口分析

2.3 金相分析

將開裂件在裂紋起源位置切割樣塊,在相同位置取樣,之后進行鑲嵌磨制拋光,用4%的硝酸酒精腐蝕[4]。圖5顯示了斷裂滑桿和完整滑桿的金相組織結構對比,金相組織為回火索氏體+網(wǎng)狀或針狀鐵素體[4],這表明在滑桿中存在低硬度相。另外,從金相照片中可以觀察到顯微組織的均勻度不好。

圖5 斷口金相分析

圖6為螺紋牙型的顯微照片,顯示出螺紋根部直徑為0.11 mm,不滿足GB/T 197—2003中根部過渡圓角≥0.375 mm的要求。另外,從照片可以觀察到沿螺紋牙型分布的金屬流線,表明螺紋牙型是通過機加工成型的,而不是滾壓成型的,這會降低螺紋的抗疲勞能力[5]。

圖6 牙型顯微照片

圖7是滑桿的非金屬夾雜物照片,根據(jù)GB/T 10561—2005,斷裂滑桿的夾雜物評級為D類細系非金屬夾雜物0.5,D類粗系非金屬夾雜物0.5,完好滑桿的夾雜物評級為D類細系非金屬夾雜物1,D類粗系非金屬夾雜0.5[6-7]。

圖7 夾雜物顯微照片

2.4 化學成分分析

根據(jù)GB/T 3077—2015中40Cr鋼規(guī)定的控制元素對斷裂滑桿進行了化學成分測試,測試結果如表1所示。

表1 斷裂滑桿化學成分

從測試結果可以看出滑桿的化學成分符合材料標準的規(guī)定。

2.5 力學性能分析

此滑桿的抗拉強度為685 MPa,力學分析如表2所示。

表2 變速器滑桿力學分析

3 綜合分析

從斷口表面所顯示的貝殼狀紋理和疲勞條帶表明此斷裂是典型的疲勞斷裂,一般來說,疲勞斷裂和產(chǎn)品質量、工作條件、裝配和后期維護相關。化學成分和夾雜物檢測未見異常,均符合標準要求。但不合理的顯微組織(鐵素體)導致了較低的材料強度,進而降低了滑桿的疲勞抗力和疲勞壽命。另外,滑桿的熱處理方式、螺紋牙型采用機加工,以及滑桿表面的機加工切削紋路進一步降低了疲勞抗力。

同時,工作時滑桿承受循環(huán)的沖擊負荷,斷裂處附近的沖擊痕跡表明螺紋連接已產(chǎn)生松動,從而導致撞擊的產(chǎn)生。松動也導致滑桿承受附加的剪切和彎曲負荷,導致裂紋更容易在應力集中的部位產(chǎn)生和擴展,最終導致滑桿斷裂。

4 結論與改進方案

通過對失效破壞的變速器滑桿所進行的化學、力學、金相等的多種檢測,發(fā)現(xiàn)滑桿的失效模式為疲勞斷裂。疲勞斷裂起源于滑桿表面的加工刀痕或沖擊傷痕,在滑桿所受工作負荷下向內部擴展,直至造成滑桿的橫向斷裂。疲勞斷裂的主要原因在于不當熱處理導致的低材料強度、不當機械加工產(chǎn)生的表面刀痕,以及螺栓松動引發(fā)的表面沖擊痕,這造成了可能的裂紋源。另外,螺紋連接松動后不能正常落座帶來額外的異常沖擊,而滑桿低強度造成滑桿的疲勞抗力無法達到應有的水平。

對滑桿的熱處理過程工藝文件和批次熱處理記錄進行了調查,滑桿40Cr的熱處理工藝參數(shù)為840°C油淬+550°C回火,調整后淬火溫度提高到850°C,回火溫度降為520°C,另更換新高淬火能力的淬火液。通過批次試驗,經(jīng)過新熱處理的滑桿,屈服達到了710 MPa,滿足了要求。為了降低滑桿表面的應力集中問題,提高了滑桿加工表面光潔度的要求,從原來的Ra3.2降低到Ra1.6。為了改進螺栓的松動問題,將滑桿螺紋和螺紋孔的配合公差由6H/6g改變?yōu)镠7/p6過盈配合,以起到防松的效果。

通過以上熱處理,加工表面粗糙度和螺紋配合公差的改進,更換了30臺變速器,其中4臺順利通過臺架2 000 h耐久測試,改進達到了目的,其他的26臺更換變速器已經(jīng)重新裝車,1年的時間沒有出現(xiàn)滑桿斷裂的情況。