汽車后橋齒輪斷齒缺陷分析

高永強

鄭州華威齒輪有限公司 河南鄭州 452374

目前，國內外汽車后橋齒輪主要的失效形式，如皮卡、貨車的齒輪失效，50%以上是斷齒，其中有一部分是由于車輛超載造成的，還有一部分是齒輪在制造或者在裝主減總成時，由于齒輪副的安裝尺寸誤差或沒有調整好安裝距產生齒輪副嚙合精度不好，從而造成車輛在行駛過程中出現打齒失效。但對齒輪失效的分析，多數限于分析材料及熱處理指標等方面的原因，沒有分析如滲碳層硬度梯度及裝配等方面的原因。本文針對滲碳層硬度梯度及裝配等方面進行分析，最終確定齒輪斷齒失效的原因。

車輛在正常行駛時，底盤下部突然出現咔咔異響，車輛停駛。經拆解后發現，該后橋從動齒輪出現兩處約6個輪齒打齒。該齒輪行駛里程為1152km，材料為20CrMnTiH，齒輪主要加工過程為：圓鋼下料→鍛造成型→等溫正火→機械加工→滲碳→淬火→拋丸→研齒。輪齒齒面，表面滲碳，深度0.9～1.3mm，滲碳表面硬度58～64HRC，心部硬度32～45HRC。與相配齒輪配對檢查著色印痕，要求印痕位置在齒寬方向中間偏小端，印痕長度為齒寬的40%～60%，印痕高度為齒高的50%以上，并要求配對研磨后在主、從動齒上刻上配對號。

通過對主動錐齒輪斷口進行宏觀和微觀分析，確定其斷裂的性質，對齒輪的金相檢驗、表面硬度、心部硬度及有效硬化層等的檢驗等，確定齒輪的斷裂原因。

斷齒缺陷及宏觀特征

經對主動、從動錐齒輪觀察發現，主動錐齒輪偏大端有擠壓、掰齒的現象，掰齒的部位主要集中在主動錐齒輪的大端偏齒頂，并且靠近大端齒面的齒輪接觸摩擦的痕跡較深。從動齒輪的損壞形式主要是斷齒失效，并且齒輪工作面齒槽部位有擠壓金屬留下的痕跡。

失效部位檢查

1.主動錐齒輪檢查

由主動齒輪失效圖片（見圖1和圖2）可以看出，主動錐齒輪在偏大端齒頂一側有多個輪齒都有不同程度的齒頂斷齒現象，并且靠近大端齒輪嚙合摩擦痕跡較深，個別輪齒工作面還有硬物刮傷痕跡。

圖1 主動齒輪及斷裂部位宏觀形貌

圖2 主動齒輪切割部位及擦傷宏觀形貌

2.從動錐齒輪檢查

從圖3和圖4所示的斷口可以看出，從動錐齒輪主要是斷齒失效的形式，并且錐齒輪工作面齒根處和部分斷齒表面上有碾壓金屬留下的痕跡，痕跡起始位置在錐齒輪的工作面一端。在斷齒相鄰的完整齒的工作面上有摩擦擠壓的痕跡，并隱約看到接觸區幾乎覆蓋整個工作面。

圖3 從動齒輪及斷裂部位宏觀形貌

圖4 從動齒輪切割部位及齒面擠傷宏觀形貌

斷口分析

將該失效的主、從動齒輪經超聲波清洗后，利用掃描電鏡對斷口的斷面形貌進行分析。

1.主動錐齒輪斷口掃描電鏡檢測結果

通過對主動錐齒輪大端齒頂斷口形貌進行檢測發現：主動錐齒輪工作面有嚴重的擠壓變形的痕跡，靠近輪齒表面為沿晶斷裂并有連續裂紋，主要為撕裂和冰糖狀沿晶的混合斷裂，如圖5所示；心部為韌窩斷裂特征，沿晶脆斷為主，如圖6所示。

圖5 工作面放大后形貌

圖6 心部斷裂形貌

2.從動錐齒輪斷口掃描電鏡檢測結果

通過對從動錐齒輪斷口形貌進行檢測分析發現：靠近嚙出端齒根凹槽處有擠壓的痕跡，斷裂仍為沿晶斷裂并有連續狀的裂紋（見圖7），心部為解理斷裂的特征（見圖8），說明該從動齒輪在斷齒時受到較大的沖擊力影響。從動錐齒輪靠近表面有MnS類夾雜物，如圖9和圖10所示，靠近從動齒輪嚙入端的齒面受正常的沿齒面的齒輪傳動力，靠近嚙出端齒面除受正常的傳動力以外，還有一個與之有夾角的力的雙重折疊力的影響。

圖7 齒根處受擠壓特征

圖8 心部解理斷裂特征

圖9 靠近齒面MnS類夾雜物

原材料成分與金相

對失效的主、從動齒輪的金相和硬度分別進行檢測分析。

1）主動錐齒輪化學成分檢測，見表1。

表1 化學成分檢測結果（質量分數） （%）

2）主動錐齒輪內在質量檢查，見表2。

表2 主動錐齒輪金相檢驗分析結果

3）主動錐齒輪金相檢驗。通過對主動錐齒輪進行化學成分和內在質量檢測發現，主動錐齒輪材料符合GB3077—2015技術要求；齒輪熱處理質量節圓處和齒根處有效硬化層深度分別為1.2mm和0.8mm，符合技術要求（節圓：0.9～1.3mm；齒根：0.75～1.15mm），合格（見圖11和圖12）。但是發現主動齒輪靠近齒頂部分有二次淬火和二次回火的現象，如圖13所示。

圖11 主動齒輪節圓處硬度梯度曲線

圖12 主動齒輪齒根處硬度梯度曲線

4）從動錐齒輪化學成分檢測結果見表3。

表3 化學成分檢測結果（質量分數） （%）

5）從動錐齒輪內在質量檢測結果見表4。

表4 金相檢驗分析結果

6）從動錐齒輪金相檢驗結果如圖14～圖17所示。

圖14 齒頂金相組織（200X）

圖15 齒頂金相組織（400X）

圖16 節圓金相組織（200X）

圖17 齒根金相組織照片（400X）

7）從動錐齒輪硬度梯度檢測曲線如圖18所示。

圖18 從動錐齒輪硬度梯度曲線

通過對從動錐齒輪進行化學成分和內在質量檢測發現，從動錐齒輪材料符合GB3077-2015技術要求，合格；齒輪熱處理質量節圓處和齒根處有效硬化層深度分別為1.2mm和1.0mm符合技術要求（節圓：0.9～1.3mm；齒根：0.75～1.15mm），金相組織也合格。

但在從動齒輪的接觸區邊緣有二次淬火和二次回火的白亮區，法向截面測定各區域硬度如下：外表面白亮區790H V0.3、789H V0.3（相當于63.5～64.0HRC）；白亮區內側回火區576HV0.3、580HV0.3（相當于53.8～54.1HRC）；回火區內側702HV0.3、709HV0.3（相當于60.2～60.7HRC）。

分析與討論

經過對后橋主動錐齒輪和從動錐齒輪進行的一系列檢查（包括接觸區、斷口形貌、化學成分、熱處理質量等）發現，齒輪失效的主要原因是接觸區未調整好，或雖調整好但未能保持造成的。

齒輪失效的過程如下：由于主、從動錐齒輪接觸區未調整好，并且主動錐齒輪載荷偏大端，造成主動錐齒輪和從動錐齒輪嚙合不良，使主動錐齒輪大端受力過大，該齒面接觸應力超過了材料的剪切強度極限，齒面材料進入塑性狀態。主、從動錐齒輪承載面一側的白亮層正是這種過量變形導致溫度升高，引發自淬火的結果。通過檢測白亮區的硬度發現白亮層的硬度高63.5～64.0HRC，內應力大、脆性大、易剝落，形成齒輪的早期剝落失效。在受到沖擊載荷的作用時，齒面剝落，并伴有裂紋的擴展最后引發齒輪發生隨機斷齒等惡性失效情況。

從動錐齒輪有效硬化層深度內有MnS類夾雜物，也是加速從動錐齒輪失效的一個原因。

結語

1）該齒輪副斷裂為彎曲疲勞斷裂，且輪齒發生彎曲疲勞斷裂與主動錐齒輪大端受力過大有關。

2）裝配時主齒安裝距由于調整不當，導致齒輪嚙合接觸區偏離設計要求，出現嚙合偏載，齒輪運轉過程中齒面接觸應力超過了材料的屈服強度極限。

3）嚴格控制差檢殼的主從動齒輪安裝位置的垂直度及偏置距誤差，保證后橋主動、從動錐齒輪的安裝位置。

4）提高材料的純凈度，最大限度地減少非金屬夾雜物等影響因素。