汽车后桥弧齿锥齿轮失效分析.pdf

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1、F慧、I失效分析汽车后桥弧齿锥齿轮失效分析郑州华威齿轮有限公司(河南452370)高永强摘要：越野车型后桥锥齿轮运行约3万km后，发现后桥漏油。拆开后轿发现从动锥齿轮断成两块。一半含11齿的小块记作S，已经掉下来。另一半含28齿大块记作L(一齿为各半)，仍固定在支架上。传动轴上输入齿轮掉一齿。该小轮为9齿，大齿轮为38齿，传动比为j=4．22。当车速为100km／h时发动机转速约3000r／min，变形箱五档速比为0．9。齿的断裂属过大弯曲应力断裂，前进(正转)及后退均有断齿。最后在后退(倒车)时造成齿的基背脆断，这是弯曲应力、轴向力及径

2、向力综合作用的结果。研究认为齿圈的断齿及本体断裂起因于固定螺栓的松脱，支撑不稳，产生打齿，最后导致齿圈基背断裂。关键词：汽车后桥齿轮；断齿；基背断裂；失效分析齿轮副信息如下：(1)问题描述：车辆行驶时后桥异响，经检查发现主减速器主从动锥齿轮打齿且被齿基背(见断裂图l～图4)。(2)车型：越野车型。(3)发生故障时行驶里程：30000km。(4)失效模式：主被动齿轮断裂；被齿基背断裂。一．断口宏观分析该齿由于齿形复杂、参数众多、_I：况多样(前图l后桥包图2小块Sr图3半螺孔图4大端头掉块158裂墨墨笼，嚣笏篡翳造参磊卢r⋯进一正转，倒车一

3、反转，加、减速)，使其受力复杂多变(力的方向大小均变)，使分析起来难度大大增加。裂纹分析：断裂分两部分，即断齿和基背断裂。1．断齿从小块说起(见图2小块和图4大端头掉块)。从螺孔分半处起记S—l逆时针排列见图5。S1～5为主，另半孔在相邻大块上一齿为L一28。s—11与L—l为同一齿分断在两块上(见断裂图6掉块)。L一28的断裂起源小端凹面齿根圆角处，在反转时生成。与s—l、s一2为一组，L一28属牵连性破坏。s—l、s一2的破坏从大端起。正转时(前进)，齿轮的凸面为工作面，第一步先产生大端头约5mm长的掉角(块)，断口粗糙，裂纹源位于齿

4、根大端的凸面圆角处，该外是弯曲应力最大的部位。由于较大的冲击造成掉块(角)，其裂纹发展方向符合弯曲应力断齿的一般规律。掉块后又继续运行之后才产生了S—l断齿，而S—l起源于凸面齿根，且径向力指向中心，轴向力从锥顶下压均与目前撕裂脊一致。因S—l断裂继续正转造成停车，当齿轮凹面啮合(收油时)，造成L一28断裂，它也起源于凹面齿根圆角弯曲应力最大处。这里反转的破坏顺序依次为：s一5、S一4和s一3。而L一28处断齿可能在最后或最先。当发生故障后由于惯性，车继续前行(此时被齿为主动)，即被齿凹面工作。轴向力从锥顶指向底面，径向力从圆心指向大端外

5、圆。s一3断齿起源大端侧内弧面(凹)齿根圆角附近，几乎为全芮宽。其金属撕裂脊的方向与S一1断口不同，S一4、S一3仅是“掉角”，而S一5仅大端凹面齿顶受到撞击尚未断开。因断裂时速度快，冲击大及齿顶渗碳层深，所以其撕裂脊很浅。这时的工作切向力、径向力、轴向力作用点在S一4，s一5位置对s-l处断口形成弯曲，使基背从l号螺孔处断裂。并向上翘起，同时径向力剪断2号、3号螺栓，造成齿背s—ll处断口。s一4、s一3这种大块“掉角”式断裂与冲击有关，是支撑不稳、啮合失常的表现。s一1齿根中心的撕裂脊(岭)发展完整，是心部塑性好的表现。两侧可见渗层(

6、经检测渗碳层为1．05mm)，达到技术要求O，9～1．3mm。而s一3、s一4断齿偏齿顶，这里尺寸薄，已是低碳马氏体，且速度快撕裂脊较浅，其方向与s一1的断口明显不同。2．基背断裂最终断裂在基背。小块有两断口，s一1处的断口是主要的，s一11断口是牵连性的。这时应是倒车过程，螺栓1早已松脱，凹面工作。轴向力向从锥顶指向底面，径向力由圆心指向大端，弯曲应力也使齿根受弯曲产生的拉应力。随着主动轮转动，该力的方向在不断变化，工作点越接近螺孔径向面，该齿圈上翘越高，导致一次性脆断。最终外侧下方开裂。由于螺孔影响撕裂脊稍有弯曲，而s-11侧的断面随

7、着2号及3号螺栓断裂而脆断，裂纹源位于图的主源处。小块随之甩出，小块s一1附近断口在匹配的大块断口上留下了向上向外的痕迹，分别是切向力和径向力作用的结果。整个断过程向外偏移达约8。之多。基背的断口粗糙，半螺孔处的断口是主要的，而s一11附近断裂是牵连性的。裂纹均起源于内圆齿根拐角处，表明存在过负荷冲击应力，断口接近脆断。环向位干螺孔处，其抗弯曲、抗剪切的截面较小，是应力最大的位置。冲击应力是由于螺栓松脱，支撑不稳造成的。F蕊话I失效分析二、金相及硬度由于该被动齿轮轴材料为20crMnTiH，经渗碳淬火+回火，回火后该平面表面硬度要求为58

8、～64HRc；渗碳层要求为0．9～1．3mm，经检测该断裂的螺纹表面硬度为62．1HRC、61．5HRc、63．8HRC。其表面金相组织为针状马氏体(M)+残留奥氏体组织，该组织属渗碳淬火组织