汽车链滚子元件的高速多冲抗力研究

王淑坤 冯 立 孟繁忠

1.长春理工大学,长春,130022 2.吉林大学,长春,130025

0 引言

链传动以其高可靠、低成本、长寿命成为新型汽车发动机的首选,现代汽车关键部件里已广泛地应用了正时链、机油泵链、平衡轴链、共轨泵链等汽车链[1]。汽车链的节距主要有 6.350mm、7.000mm、7.620mm、8.000mm、9.525mm、12.700mm等;链条结构型式有套筒链、滚子链和齿形链等。其中,滚子链以其成熟的设计技术、加工工艺、热处理方法以及成本低廉的优点,占据了较大的汽车链市场。汽车链的工况不同于普通链条,其主动链轮转速已高达5000r/min以上,有的已超过了10 000r/min,远超出普通传动链条的性能允许范围。同时,汽车链的高速多冲、速度与载荷交变、强耐磨性、高可靠性以及振动稳定性等要求也构成了行业内的一大技术难点。但由于国产汽车链的高速性能与主机产品的要求存在一定差距,因而众多高端主机厂的汽车链产品仍以进口为主。现有的常规技术已无法满足汽车链开发的需求,因而高性能汽车链的研究成为本学科新的前沿研究领域[2]。

滚子是影响汽车用滚子链高速性能的关键。通常,中小规格滚子链在高速下运转的主要失效形式一般表现为滚子和套筒的冲击疲劳破坏[3]。对于汽车链条元件而言,其断裂也主要发生在链板和滚子零件上。本文通过道路行驶和台架模拟试验,微观分析汽车链滚子元件的主要失效形式,研究滚子在正常服役条件下的断裂机制,对比分析滚子不同成形工艺下的特性,从而提出汽车链滚子元件的抗高速多冲的措施,为建立高速链传动设计理论奠定基础,也为提出具有我国自主知识产权的适应我国本土化的汽车链的关键设计制造技术提供理论和实践依据。

1 汽车链滚子元件的主要失效形式

1.1 滚子的磨粒磨损

磨粒磨损是指由于硬质颗粒或硬突起物使材料产生迁移而造成的一种磨损。磨粒磨损很少是由一种单一的磨损机制所引起的,而经常是多种磨损机制综合作用的结果,且随着磨损条件的变化而不断在不同机制之间转化。

试验规范：国产汽车发动机正时链06BT-1,滚子冷挤成形,节距p=9.525mm,以链条节数表示的链长Lp=64节,主动链轮齿数z1=19,从动链轮齿数z2=38,发动机额定功率P=83k W(5000r/min);小链轮最高转速为 n1max=5200 r/min,多点电喷供油(MPI),设有阻尼器和张紧器,道路行驶14万公里失效。

利用扫描电镜对滚子内表面进行了分析,其微观形貌如图1所示。从试验的磨损表面形貌图片上,可清晰地观察出磨粒磨损引起的犁沟,在相配合的套筒表面,也发现有方向一致的犁沟。这些微观分析图片显示,汽车链滚子元件发生了磨粒磨损现象。

图1 道路行驶14万公里汽车链滚子内表面微观形貌

1.2 滚子的疲劳点蚀

疲劳点蚀是指当两个接触体相对滚动或滑动时,在接触区形成的循环应力超过零件材料的疲劳强度极限的情况下,在接触表面层将引起裂纹,并逐步扩展,最后使裂纹以上的材料断裂剥落下来的磨损过程。疲劳点蚀作为最普遍的失效形式出现在滚子外表面与链轮轮齿的相互啮合接触表面,其典型的特征为点蚀和剥落。微观分析上述试验链条滚子的点蚀表面(图2),有大面积的点蚀坑和裂纹的扩展。这种失效形式不仅在很大程度上影响了链条的疲劳寿命,而且脱落的材料将进入润滑液中,随着润滑剂的流动进入铰链副,对销轴与套筒的配合表面造成磨粒磨损[4]。另外,由于滚子的外表面的点蚀剥落,影响了滚子的表面状态,当滚子与链轮齿啮合时,还将进一步产生振动和噪声。

1.3 滚子的多冲疲劳破坏

链条在啮入过程中会由于多边形效应而产生由啮入冲击引起的动载荷。而且,随着链轮齿数的减少,啮入冲击增强。在滚子链传动过程中,啮入冲击首先由滚子承受,然后再传递给套筒、销轴和链板。这样,滚子和套筒就受到反复多次的冲击载荷,经过一定的循环次数后,就会发生小能量高周冲击疲劳破坏,表现为滚子的断裂或掉块现象。啮合时,滚子相对轮齿做滚动兼滑动的运动,因此,滚子上的冲击力作用点是随机变化的。中高速的链传动的承载能力主要取决于滚子和套筒的冲击疲劳破坏,且转速越高,承载能力就越低[5]。

图2 国产06BT-1汽车链滚子发生疲劳点蚀微观形貌图片

分析对象：国产06BT-1链条,台架试验500h,主动链轮齿数z1=19,从动链轮齿数z2=38,链长 L p=80节,滚子卷制成形,功率 P=8.0k W,主动链轮转速为 n1=6000r/min。该试验链条在运行至439h时出现滚子断裂,将断裂滚子制成样件,利用扫描电镜所得微观断口形貌如图3所示。

根据滚子断口的微观扫描图片,结合断口分析理论,表明了汽车链滚子的断裂属于典型的延性断裂。延性断裂是指金属材料在过载负荷的作用下,局部发生明显的宏观塑性变形后的断裂。延性断裂有两种类型,一种是韧窝—微孔聚集型断裂,另一种是滑移分离断裂。在工程材料中延性断裂反映为过载断裂,即零件所承受的真实应力超过了危险截面处材料的强度所发生的断裂。图3中滚子的微观断口显示为明显韧窝状,断裂机制是微孔聚集型,零件成形的冷变形工艺如冷弯、冷镦、冷拔、冷冲、冷挤压等经常发生这种延性断裂。

图3 经500h台架试验主试链滚子断口形貌

2 提高滚子高速多冲抗力的途径

汽车链在高速区工作时,滚子的冲击疲劳破裂是其主要的失效形式。滚子作为链条与链轮的啮合元件,它直接承受着较大的冲击载荷,在循环应力作用下,在滚子的应力集中区即滚子端部会萌生疲劳裂纹,并逐渐向滚子中部扩展,当滚子的制造工艺与加工质量达不到要求时,裂纹不断扩展并导致端部掉块或整体破裂。当产生破裂的滚子达到一定数量时,由于与链轮处于非正常啮合状态,工作张力急剧增大,最终导致链条断裂失效。诸多资料显示,滚子零件的断裂与很多因素有关,如材料及组织、冶炼方法、加工方法、热处理方法以及服役条件等。这些因素都不同程度地影响着断裂的模式及机理,进而表现为不同的形貌。综合分析以上因素的影响,可以从材料的选择及热处理工艺、成形工艺及外廓形状等角度提高汽车链滚子元件的抗高速多冲的能力。

2.1 滚子的材料选择及热处理工艺

滚子与链轮、套筒之间的摩擦为滚动兼滑动摩擦,在良好的润滑条件下,其磨粒磨损是次要的,关键是保证滚子具有较高的多冲疲劳抗性和一定的挤压强度。在现有条件下,为了提高国产链条的性能,借鉴国外名牌滚子链的经验,也为了弥补我国在冶炼水平与冷加工方面的不足,目前优质的国产汽车链条的滚子零件多采用较好的合金钢。对于冷挤滚子,建议采用 20CrMnMo、20CrNiMo、35CrMo等材料,并进行渗碳或碳氮共渗处理工艺,可明显提高滚子的多冲疲劳性能。而针对卷制滚子,可采用 50CrVA、35CrMo、42CrMo等,进行整体等温淬火,也可显著提高滚子的多冲抗力。

2.2 滚子的成形工艺

滚子的成形工艺比较复杂,目前,汽车链滚子零件的主要成形工艺为冷挤和卷制两种。通过对这两种成形工艺的滚子试验检验发现,卷制滚子接缝周边易产生划痕与展延,冷挤滚子内表面会产生纵向划痕与端部的横向台阶。试验研究表明,上述制造过程中的质量缺陷正是滚子破裂的疲劳裂纹源,也是影响汽车链国产化进程的一个重要瓶颈因素。下面对两种成形工艺的滚子进行对比试验分析。

2.2.1 冷挤滚子

图4 传统工艺冷挤滚子的内表面微观分析照片

传统的冷挤滚子在使用模具加工时,在其内表面容易形成较深的纵向加工划痕及不规则的横向凹槽(图4),在多冲循环载荷作用下,首先在纵向加工划痕处萌生裂纹并扩展,导致滚子整体断裂脱落;而在横向凹槽处萌生的裂纹及扩展,一方面将导致滚子端部局部断裂,产生“掉块”现象,另一方面可能导致二次裂纹的萌生及向滚子中心方向的扩展,从而导致滚子的整体断裂。与卷制滚子相比,冷挤滚子的生产效率高;同时,由于利用低碳合金钢进行制造(通常汽车链的卷制滚子采用优质合金钢制造),因而成本较低,但对加工设备、工艺要求高。本次试验的冷挤滚子采用引进的高速五工位冷挤机制造,其模具采用了表面镀钛技术,由于采取了上述工艺、设备,使所加工的滚子内表面的纵向划痕明显变浅,横向加工台阶平缓(图5),这样在很大程度上提高了滚子的抗多冲交变载荷的能力。

图5 新工艺冷挤滚子内表面的微观分析照片

从图5所示的微观分析照片上可以看出,由于滚子加工划痕浅小,在其裂纹的生成过程中,由于摩擦表面的磨损使得原本浅小的划痕减少,从而延缓了裂纹的生成,降低了扩展过程的速率,大大提高了滚子抗高速多冲的能力。滚子的抗高速疲劳的能力可以用冲击循环次数N来衡量：

式中,t为时间,h。

本次试验的汽车链滚子的冲击循环次数已达N=1.37×107,而且尚未出现断裂和掉块现象,而传统的冷挤滚子的冲击循环次数通常为 N≤6.22×106,这表明了本次试验的国产链条的冷挤滚子零件已经具有较高的多冲抗力,而且已被汽车主机厂认可。

国外汽车链滚子的加工设备先进,滚子的制造精度很高,无明显的纵向加工划痕和横向台阶,因此裂纹的萌生和扩展较少,滚子的多冲疲劳抗力很高。图6为日产06E-1汽车链在道路行驶试验前后滚子的微观扫描图片,由于其加工工艺先进,新滚子的内表面并未见明显的纵向加工划痕,横向台阶非常浅小。道路行驶试验29万公里后也难以看到扩展的裂纹,在500倍电镜扫描下,才可见有微小的加工划痕。通过试验分析可知,改进滚子的成形工艺、设备和模具,对提高滚子的多冲疲劳抗力是尤为重要的。

图6 日产06E-1汽车链的冷挤滚子零件的内表面微观形貌图片

2.2.2 卷制滚子

采用卷制工艺成形滚子,不仅可提高滚子的同轴度,而且滚子坯料的金属纤维方向使其具有较高的多冲抗力,其有缝的结构形式还具有缓冲和减振的功能。但卷制过程中容易在接缝周边产生划痕和局部展延,成为裂纹的萌生和扩展源。

进行微观对比分析的是国产等温淬火卷制新滚子,这种滚子在卷制过程中的擦伤表面宏观可见,对其接缝处进行了微观电镜扫描,其微观扫描图片如图7所示。这种滚子在接缝处周边产生的划痕及局部展延,必将成为裂纹萌生和扩展源,对滚子的性能及寿命产生一定的影响。文献[6]曾对国产卷制滚子的06BT-1链条进行了微观形貌分析,由于该链条滚子的卷制工艺很好,其接缝处周边的划痕很少,局部展延现象较轻,经500h发动机总成试验后,滚子的内表面虽然已经产生了疲劳点蚀的剥落坑和微小的裂纹,但尚未发现任何滚子零件有明显的断裂和掉块现象,其冲击循环次数已达 N=3.19×107次,这表明了国产链条的卷制滚子零件已经具有较高的多冲抗力。试验分析表明,对于卷制工艺,如果成形工艺合理(增加接缝两端预弯工艺),在卷制滚子的接缝周边不产生明显的划痕和局部展延,其有缝的结构形式具有缓冲、减振的功能,因而不仅其多冲抗力可以满足主机要求,而且与冷挤滚子相比,还具有降低传动噪声的功效。

图7 国产汽车链的卷制滚子零件的外表面微观扫描图片

从上述分析可知,只要成形原理和模具精度符合要求,两种不同工艺成形的滚子均可以达到较高的多冲疲劳抗力,能够满足汽车链的使用工况。但大批量生产时,宜采用冷挤滚子,可以降低成本;而量小,且要求具有较高的缓冲吸振性能及制造精度时,建议采用卷制滚子。

2.3 滚子的外廓形状

滚子在啮合过程中将受到接触载荷和冲击载荷的作用,在载荷作用下将发生一定的弹性变形,合理设计滚子的外廓形状,将有利于滚子变形后的受力,提高滚子的接触疲劳强度和抗冲击能力。在试验中,利用激光外径在线检测仪和千分尺对不同生产厂家的多种滚子进行了多次测量,结果显示滚子的外廓形状不尽相同。在精确测量下,传统的冷挤滚子外形多为锥形,其磨损外表面表现为一端磨损严重。主要原因是锥形滚子在成形时,其大端正是产生横向台阶的那一端(由冲底工艺形成的),而大端首先接触链轮齿,不仅一端磨损严重,而更重要的是大端的受力状态由于横向台阶的存在,容易使大端产生早期裂纹源,并进而扩展,表现为掉块、产生二次裂纹,直至滚子断裂失效。而日产滚子的外形呈现明显的腰鼓形,当链条啮入链轮时,由于弹性变形使腰鼓形滚子变为圆柱形,使滚子与链轮全面接触,对比其磨损外表面,表现为磨损均匀。因此,建议冷挤滚子外形采用腰鼓形,以提高滚子的抗多冲疲劳断裂的能力。目前,虽然国内的成形工艺设备还无法满足要求,但有关冷挤设备的研究已经展开,而且其研究方向在国际上也可借鉴。

3 结论

(1)为提高滚子零件的抗多冲能力,滚子零件应该按照成形工艺的不同分别选择：对于冷挤滚子,采用 20CrMnMo、20CrNiMo、35CrMo 等材料,并进行渗碳或碳氮共渗处理工艺;而针对卷制滚子,可采用50CrVA、35CrMo、42CrMo等材料,并进行整体等温淬火。

(2)卷制滚子和冷挤滚子的成形工艺对于汽车链均是可行的,需结合设备和材料状况而定。对于冷挤滚子,必须改进冷挤设备和工艺,提高模具精度,减小乃至消除冷挤造成的加工划痕及台阶。对于卷制滚子,应增加接缝两端预弯工艺,以改善接缝处的划痕和局部展延问题,从而提高滚子的多冲疲劳抗力。

(3)通过上述精确测量冷挤滚子的外径尺寸,首次揭示了冷挤滚子的断裂失效的潜在因素。建议冷挤滚子外形采用腰鼓形,以提高滚子的抗多冲疲劳断裂的能力。

[1] 孟繁忠.链条、链轮产品设计与检验[M].北京：机械工业出版社,1996.

[2] 孟繁忠,李启海,许树新.汽车发动机链条高速性能的试验研究[J].机械工程学报,2002,38(7)：62-64.

[3] 王淑坤,孟繁忠,程亚兵,等.汽车发动机正时链的多冲特性[J].哈尔滨工业大学学报,2005,37(4)：495-497.

[4] 孟繁忠,程亚兵,董成国,等.汽车发动机链条的微动磨损现象研究[J].润滑与密封,2006,35(10)：36-38.

[5] 刘晓论,王树奇,许树新,等.国产滚子链的高速性能及其分析[J].农业机械学报,1998,29(2)：114-115.

[6] 王淑坤.汽车发动机滚子链的失效机理及其关键设计制造技术[D].长春：吉林大学,2006.