某新能源汽車差速器半軸齒輪齒面剝落失效分析

周智慧，張 斌，李文婷，左 彪

（1.江蘇飛船股份有限公司；2.泰州職業技術學院，江蘇 泰州 225300）

差速器半軸齒輪是新能源汽車中的關鍵傳動零件，在車輛運轉過程中，不僅需要將發動機的動力通過差速器齒輪傳遞到汽車的驅動輪上，當路面不平或車輛轉彎時又起到調整左右車輪轉速的功能。隨著新能源汽車的興起，差速器半軸齒輪需要適應新能源汽車的啟動扭矩大、沖擊截荷大的特點，但正是由于大的沖擊截荷，使齒面剝落現象成為新能源汽車差速器半軸齒輪主要失效形式之一。

齒面剝落是硬齒面齒輪特有的失效形式，它的存在將對齒輪的接觸疲勞強度和承載能力產生不良的影響[1]，差速器半軸齒輪齒面剝落，不僅影響差速器的使用壽命，還影響整車的舒適性及安全性，甚至造成嚴重安全后果。積極開展齒輪剝落失效的研究，找出其產生的原因，有助于改進齒輪質量、提高齒輪強度及承載能力、延長齒輪使用壽命[2,3]，改善整車的舒適性及安全性。

1 齒輪材料及加工工藝

該批試驗的半軸齒輪材料為20CrMnH，設計要求滲碳層深度0.9mm～1.3mm，表面硬度58HRC～64HRC，芯部硬度33HRC～48HRC。齒輪加工工藝：棒料切割→車外圓→磷化→冷鍛齒形→機加工→滲碳→淬火→回火→精加工內孔及球面→成品檢驗→清洗→包裝入庫。

2 齒輪宏觀檢查與分析

2.1 失效齒輪宏觀檢查與分析

某車型新能源汽車差速器半軸齒輪在臺架試驗后出現齒面剝落現象，輪齒表面的剝落坑深淺不一。取其中1個失效齒輪觀察，如圖1所示，齒輪齒面主要剝落位置發生在齒輪工作面的節圓與齒頂圓之間，剝落處最深位置距齒面的距離大約為0.73 mm，從齒面剝落處來看，未觀測到點蝕現象，判定齒輪不是由于發生點蝕后擴展并剝落的。

在齒面剝落位置處取樣，從剝落處中間位置切開，經過磨制、拋光后的試樣放在顯微鏡下觀察，剝落齒面橫截面放大如圖2所示，在剝落凹坑的底部存在二次裂紋，這些裂紋沿表面往輪齒深部擴展，齒輪若在后期持續的交變載荷作用下會繼續擴展裂紋，形成更大的齒面剝落失效現象。此外，經觀察，在剝落凹坑的周圍也都存在二次或三次裂紋，這些裂紋彼此相距比較近，在后期持續的交變載荷作用下，有不斷擴展裂紋的趨勢，當裂紋之間相互貫通時，就會產生更嚴重的剝落失效。

圖1 齒面剝落

圖2 剝落齒面橫截面放大

2.2 未經臺架試驗的同批次輪齒齒面宏觀檢查與分析

通過對未進行臺架試驗的同批次半軸齒輪的輪齒截面試樣在顯微鏡下觀察，發現未經臺架試驗的輪齒有表面微觀瑕疵，如圖3所示，輪齒表面各處存在深淺不一的凹坑及瑕疵。齒輪在高強度運動過程中，齒面承受復雜的交變截荷，在交變截荷的持續作用下，齒表面淺層處凹坑會不斷擴展，同時較大的齒面接觸力會將潤滑油等擠入到凹坑縫隙中形成油楔使得裂縫在運動中不斷擴大延伸，最終導致半軸齒輪齒面產生剝落現象。由此可見，輪齒表面凹坑瑕疵是造成齒面剝落的因素之一。

圖3 未經臺架試驗的同批次半軸齒輪齒面橫截面放大

3 齒面電鏡檢測與分析

引起齒輪齒面剝落的原因較多，通過對半軸齒輪齒面進行材料組織、金相組織以及其他的力學性能檢測后發現，半軸齒輪齒面的各項性能指標都達到了設計要求。通過排除這些可能導致齒面剝落的因素，輪齒表面凹坑及瑕疵是成為齒面剝落的主要原因，需要溯源輪齒表面凹坑及瑕疵產生的環節，才能采取合適的改進措施，有效避免瑕疵的出現，避免剝落現象的產生。

3.1 齒面電鏡檢測

在這一批齒面剝落半軸齒輪中，取其中1個失效齒輪輪齒剝落截面進行掃描電鏡檢測，如圖4所示，在剝落處周圍凹坑及夾雜清晰可見，經能譜檢測，發現在剝落缺陷尾部雜夾物富含氧成分（標為“1”處），說明該夾雜物是氧化物，而該氧化物本應出現在輪齒表面。

圖4 失效齒輪齒面電鏡圖

對未經臺架試驗的同批次產品齒面經電鏡檢測，表面亦有明顯缺陷，缺陷周圍凹坑及夾雜清晰可見。經能譜檢測，缺陷尾部雜夾物富含氧成分及少量鈉元素（標為“2”處），如圖5所示，鈉的存在說明該夾雜物不僅為氧化物，還可能帶有少量磷化殘留。

圖5 同批次產品齒輪電鏡檢測

通過上述對同批次的產品與失效件輪齒齒面電鏡檢測，發現在輪齒內部存在了本應存在輪齒表面的氧化物，分析其主要原因是由于半軸齒輪輪齒表面有凹坑瑕疵，導致齒輪齒面在后續加工中或在輪齒嚙合接觸過程中會產生較大的摩擦及擠壓力，將半軸齒輪齒面凹坑小部分壓平從而產生小的表面折疊，導致輪齒表面的氧化物進入輪齒內部。

3.2 折疊區域電子探針檢測

通過對表面折疊區域中的裂紋區域進行電子探針檢測，發現有O、P、Zn等元素證明的存在，即在折疊區域含有磷化物，如圖6所示。此外，通過檢測，在失效件與同批次的產品表層及淺層基體處均發現了磷化物的殘留，說明該殘留非試驗過程中受到的污染，而是產品本身在加工制造過程中所攜帶的。通過對半軸齒輪加工工藝流程進行分析，半軸齒輪在冷鍛前對坯料進行磷化處理，可推斷，輪齒表面凹坑瑕疵應該出現在該磷化工序之前，磷化層附著于凹坑表面，冷鍛過程中將磷化物壓覆進表面淺層折疊區域。

4 工藝改進

4.1 改進加工方法

通過上述分析，輪齒表面凹坑出現磷化處理之前，根據工藝流程安排，磷化之前的加工工序是車削加工，普通車削加工表面質量不高，表面粗糙，凹坑較深。為了減少表面凹坑深度、降低表面粗糙度值，對加工方法進行改進，由原來的車削加工改為磨削加工，有效降低表面粗糙度值，避免凹坑等瑕疵的出現。經檢測冷鍛后的產品表面無缺陷，如圖7所示。

圖6 折疊區域電子探針檢測

圖7 車改磨后的齒輪表面

4.2 增加噴丸處理工序

在復雜交變載荷的持續作用下，嚙合輪齒表面易產生疲勞裂紋，易導致輪齒表面剝落，為此，在齒輪加工工藝流程中，增加噴丸處理工序，使輪齒表面產生殘余壓應力，增加輪齒的抗疲勞強度，進一步降低產生裂紋的可能性，有效避免輪齒剝落失效問題的發生。

改進后的加工工藝：棒料切割→磨外圓→平頭倒角→磷化→冷鍛齒形→機加工→滲碳→淬火→回火→噴丸→精加工內孔及球面→成品檢驗→清洗→包裝入庫。

通過工藝改進，加工后的半軸齒輪經客戶臺架試驗，沒有出現輪齒剝落失效問題。

5 結語

從某新能源汽車差速器半軸齒輪齒面剝落問題入手，運用各類檢測和分析手段，系統分析該齒輪齒面剝落的原因，剝落主要是加工過程中的凹坑缺陷所致，通過對凹坑缺陷產生的階段進行溯源，找出出現凹坑缺陷的工藝階段，并提出半軸齒輪的加工制造工藝流程的優化方案，通過車改磨、噴丸處理，有效地降低凹坑的出現、提高輪齒強度，有效避免剝落失效問題的發生。