汽车螺旋锥齿轮失效的检验与原因分析-月期刊网机械论文发表.doc

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汽车螺旋锥齿轮失效的检验与原因分析
任军浩
摘要:汽车后桥主动螺旋锥齿轮出现剥落是较为多见的故障，为了找出失效原因,本文对汽车螺旋锥齿轮失效的检验与原因进行了分析。
关键词: 汽车；螺旋锥齿轮；失效；检验；原因分析

汽车在行驶期间，其螺旋锥齿轮在汽车齿轮内承受的力度较大，且随着滑动速度逐渐增大而使得油膜条件恶劣，而接触处应力受到润滑条件的限制也不断增大，这些都会引起汽车内部结构运行效率低下。一般失效形式有轮齿折断、疲劳剥落、严重磨损等。
1汽车螺旋锥齿轮失效的检验
1.1 宏观检验
从宏观检测可知，小断面上出现各种大小不一的鱼鳞状花样，鳞片的尖端则朝着齿面。可观察到小窄条的前半段有各种不同的波纹，主要状态为平行样式，而后半段则不断变成整齐、规则的贝纹。进一步研究显示，平行波纹主要结构组成为相邻被拉长的鳞片。观察凹侧齿面的疲劳源及其附近的贝纹花样，可得出该花纹是鳞片构成。详细观测疲劳源之后，没有观察到其它杂物质。
通过另一个方面观察可知，失效齿轮的凸侧齿面磨损情况相对其它地方严重，且齿顶棱缘均受到了磨锐，齿顶周围的点蚀、沟槽磨损带较为清晰。齿面的表面粗糙度Ra≈50μm。而从动轮齿面受损程度较小，凸侧齿面啮合位置的加工痕迹明显。根据这些情况能判断出，主动轮凸侧齿面接触存在异常，给齿顶结构造成很大的接触力，最终造成不同程度的磨损。
1.2硬度、组织检验及化学成分分析
根据化学试验得出具体的成分内容，如：主动轮表层硬度59～60.5 HRC，心部硬度43HRC，齿顶渗层厚度1.42 mm。从动轮表层硬度62HRC，心部硬度35 HRC，齿顶渗层厚度1.47 mm。相关的技术标准为：主动轮60～65 HRC，心部34～45 HRC，渗层厚度1.7～2.1 mm。参照这些数据则可得知，主动轮表面的渗层厚度小、硬度低。失效齿轮的渗层结构从整体上观察，渗层中马氏体较细，仅有少量的奥氏体残留物。马氏体与残留奥氏体均≤4级，这些与标准参数相吻合。
2 造成失效的因素
(1)考虑到该齿轮凸侧齿面并没有相互接触，造成齿顶周围局部接触压应力不断变大。同时，渗层的相关指标也出现变动，如：硬度、粗糙度、滑动速度较等，这些异常变化都会造成齿顶出现磨损。
(2)如果齿顶出现点蚀、沟槽磨损情况，当其受到其它方面应力影响时则会加重腐蚀而出现裂缝，如：接触压应力、表面压应力等，这会使得裂纹周围区域也出现不同程度的受损，最终导致表面开裂。当表面有裂纹形成时，裂纹垂直齿面则会向渗层内不断散开而产生垂直小断面，此时变化出现疲劳源。
(3)汽车螺旋锥齿轮失效的因素通常都比较复杂，每一种情况都必须要考虑在内。当裂纹出现不同的转移情况时，其也是因为不同的原因造成，如:①经试验得出，裂纹垂直扩展的切应力τ0在0.5b处达最大值，越往里面这一指标则不断减小，这就使得垂直扩展难以持续进行；②裂纹继续沿垂直方向扩展则会到达裂纹扩展阻力较大的心部区，阻碍了裂缝的转移；③水平扩展的早期阶段为接触疲劳破坏，这多数是由于切应力造成，且交界处的切应力/抗剪强度值达到极值，这些说明心、表交界有助于裂纹扩散。渗层厚度较小时，其会造成心、表交界移至距表面的距离更小，最终导致沿结合部开裂、剥落。
(4)如果裂纹现象不断扩大到一定程度后，如：到达凹侧齿顶区的心、表交界处之后，则会造成凹侧齿面出现疲劳源。此疲劳源附近是鳞片组成的贝纹花样，这显示造成裂纹扩散的因素是切应力造成。另外，疲劳裂纹不断受到凸、凹侧的交变应力的影响，而开始沿心、表交界周围蔓延，导致渗层与基体分离。若凸、凹侧裂纹在扩展期间与齿顶相接，则出现倒“V”字形棱脊。而基体分离的结构则相对独立开来，其犹如一个悬臂梁，会因为裂纹扩展而不断增大。
(5)目前，剥落面上常见的贝纹线包括：鳞片构成的贝纹线、普通贝纹线，每种贝纹线都有着自己的特点。鳞片或波纹状花样则是由于接触疲劳剥落的断口在切应力作用下造成。贝纹线则是由于正应力造成，这同样是导致贝纹线的因素，而下部非啮合区中的切应力为零，但同样会出现贝纹线，该现象说明本断口上的贝纹线不是受到切应力作用形成。进一步研究显示，瞬断区是正应力造成的折断，根据这一点说明瞬断区与贝纹区邻接处的形貌也是受力影响造成。
3 结论
(1)齿面非正常接触会使得齿顶附近局部接触应力不断变大，这是导致齿面早期剥落的重要因素。晶界弱化及渗层厚度较小时，则会导致剥落速度加快，且齿轮结构受损程度加重。而齿面非正常接触与装配等因素相关，晶界弱化则是由于酸洗未采取去氢操作等因素造成，这些对于齿轮结构的稳定性都是不利的。
(2)此次研究的齿轮结构和常规结构存在较大的差异，一般工件的深层剥落都是源自距表面的平行层面，而此次选择的齿轮齿面深层剥落是源自与齿面垂直的小断面，该现象则是属于失效齿轮特征。
(3)剥落初期多数为交变切应力原因所致，使得断口花样为鳞片状、波纹状，该阶段的断口属于接触疲劳。贝纹区出现的裂纹扩展问题，多数是因为油压等产生的正应力所致。
经过对汽车螺旋锥齿轮失效因素分析后，我们可以判断造成失效的主要因素为受力作用的影响，从而造成了各种齿轮搭配之间出现问。齿轮内部的各个结构受损程度加深，影响到了齿轮精度要求。这就需要生产厂严格按照精度要求进行装配、加工，放置齿面间非正常接触。

参考文献:
[1]张栋,钟培道,陶春虎,等.失效分析[M].北京:国防工业出版社, 2004: 204.
[2]金荣植,刘志儒.稀土快速渗碳工艺[J].金属热处理, 2004, 29(4): 44.
[3]束德林.工程材料力学性能[M].北京:机械工业出版社, 2003:179-181.
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命运如同手中的掌纹，无论多曲折，终掌握在自己手中
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