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齿轮轴-带大家看看变速箱齿轮轴断裂原因是什么

差速器主要由差速器壳体、行星齿轮、半轴齿轮、从动锥齿轮、调整垫片、轴承以及行星齿轮轴等组成,行星齿轮轴的作用是将转矩传给行星齿轮,实现转矩分配,从而使车轮实现差速运转,在运行过程中,行星齿轮轴承受扭转力和弯曲力。

1.情况描述

本文对变速箱进行差速器耐久性试验,检测零部件使用寿命情况。试验测试过程中,变速箱出现异响,立即停止试验,拆箱检测后,发现差速器壳体破损,行星齿轮轴断裂。行星齿轮轴材料为弹簧钢42CrMo,材料执行标准GB/T 3077《合金结构钢》。为保证行星齿轮轴的耐磨性和疲劳强度,本文零件热处理工艺:淬火+回火+表面气体氮化。

2.结果与讨论

(1)宏观分析

变速箱进行差速器耐久性能试验测试过程中发生异响,后进行拆箱分析发现行星齿轮轴断裂,差速器已破损,如图1所示,虚线箭头标识处为断裂行星齿轮轴。图2为轴断口的整体形貌,断裂源位于圆周表面,且磨损严重,由外向内扩展,终端区位于轴中心区域。

 

 

图1 失效的差速器总成

 

 

图2 行星齿轮轴的断口形貌

(2)微观分析

采用能谱分析仪(SPECTRO/LAB LAVM10)对行星齿轮轴进行材料化学成分检测,其检测结果如表1所示,行星齿轮轴材料化学成分均符合GB/T 3077《合金结构钢》的技术要求。

表1 行星齿轮轴的材料化学成分(质量分数)(%)

元素

C

Si

Mn

P

S

Cr

Mo

要求值

0.38~0.45

0.17~0.37

0.50~0.80

0.20

0.20

0.90~1.20

0.15~0.25

实测值

0.396

0.226

0.714

0.017

0.005

1.11

0.204

采用维氏硬度计(FUTURE-TECH/LC-200RB)测量断裂行星齿轮轴的表面硬度、基体硬度,检测前先用标准试块进行校准;对断裂轴的断口进行金相取样,经镶嵌、打磨、抛光、腐蚀后,采用光学显微镜(ZEISS/HAL100)进行显微金相组织检测,结果如表2所示,表面硬度、基体硬度、氮化层深、氮化物和脆性级别等均符合技术要求,但表面疏松达到4级,不符合技术要求,这直接导致零件表面强度下降,在使用过程易产生裂纹,降低零件的疲劳寿命。

表2 行星齿轮轴的硬度和金相组织

项目

表面硬度HV

基体硬度HV

氮化层深/μm

金相组织/级(GB/T11354)

脆性

疏松

氮化物

技术要求

600

300~400

0.012~0.020

1~2

1~2

1~2

实测值

727

346

0.016

2

4(见图3)

2

 

 

图3 表面金相组织(500×)

采用扫描电子显微镜SEM(EVO18)对断口进一步分析,图4为断口裂纹源形貌,表面存在疲劳辉纹(见凸4b白色箭头标识),且疲劳纹是沿着圆周方向扩展,在整个圆周方向上先形成一层裂纹,距表面大约1 mm,主要原因是行星齿轮轴在变速箱内受旋转扭力,且零件氮化后表面形成一层氮化组织,脆性相对基体大。

 

 

(a) (b)

图4 断口裂纹源SEM形貌

图5和图6分别为扩展区和瞬断区SEM形貌,主要表现为解理断口,表明零件受到外力较大,断裂速度快。

 

 

图5 断口扩展区SEM形貌

 

 

图6 断口瞬断区SEM形貌

图7、表3是裂纹源能谱检测位置和结果,其中谱图1、2、4检测部位为氮化化合物层区域,其中谱图1和谱图4区域可见明显的大量孔隙,对其进行能谱分析,该区域的氧含量明显大于谱图2和谱图3区域,且最靠近表面的谱图4区域,含氧量最高,远超过其他区域,表明零件氮化后表面疏松区域被氧化,降低表面强度和疲劳性能,导致零件试验过程中发生断裂。

 

 

图7 断口裂纹源能谱检测位置

表3 能谱检测结果(质量分数) (%)

谱图

在状态

C

N

O

Si

Cr

Mn

Fe

Tb

总计

1

13.70

6.00

6.44

0.23

0.95

0.54

72.15

-

100

2

4.86

-

1.45

-

1.17

0.56

88.66

3.29

100

3

10.93

-

2.91

0.32

1.06

0.65

84.13

-

100

4

12.48

5.15

12.69

0.29

0.91

0.55

67.93

-

100

3.结语

行星齿轮轴氮化后,表面化合物层疏松组织不合格,试验过程中受到外力,形成裂纹源,并进一步向中心区域扩展导致完全断裂。

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