手动变速器齿轮齿断裂原因分析

王福平 白小松

摘 要：变速器中齿轮是主要的传动部件，齿轮的性能，直接关系着传动质量，进而影响整车性能，一旦齿轮质量存在问题，将会给驾驶人员造成极大的安全隐患。某车型手动变速器中齿轮发生断裂，为了分析断裂原因，本文对齿轮进行了宏、微观检查和分析， 对断口上的疲劳弧线进行了观察，对齿轮的金相与硬度进行了检验，最终对断裂原因进行判断并为改善齿轮的质量提出了建议。

关键词：变速器；齿轮；断裂；疲劳

引言

齿轮是机器中传递功率和运动的重要部件。与皮带、链及摩擦轮传动等相比， 由于齿轮传动具有传动准确、传动平稳、结构紧凑， 传动效率高等优点， 且速度、传动比、传动功率的范围大，不仅可用于减速和增速， 同时能够完成各种速度、各种功率下的传动，因而齿轮传动在汽车领域得到了广泛的应用。

然而由于齿轮一般无过载保護作用， 因而对传递大功率金属齿轮， 要求有较高的质量要求和良好的安装、组合， ，否则传动时会出现较大噪声、振动以及冲击， 易于造成损伤失效，导致发生重大安全事故。

1 失效情况

某车型车辆在行驶中，挂五档时严重异响，行驶里程2453km。拆解变速器检查为中五档齿轮损坏所致，更换中间轴五档齿轮组件后故障排除。

2检测

2.1 失效样品

检查拆解下来的中五档齿轮，发现中五档齿轮连续5个齿发生断裂，第6个齿面向断齿侧有长约10mm的压痕，其它齿牙基本保持完整。结合中五档齿轮的转动方向与受力方向判断，失效的扩展路径如图1中红色箭头所示。

图 1 中五档齿轮

2.2 断口形貌

对断口进行微观分析，发现在断口两侧靠近热加工面约3mm的区域，断口形貌为晶间断裂，沿晶断口未发现第二相粒子，晶粒尺寸在30μm左右（见图2）。晶界弱化后齿轮在工作中受力逐渐形成微裂纹，微裂纹相互贯穿，当尺寸达到临界值，就会形成疲劳裂纹，在断口中部可以观察到明显疲劳辉纹（见图3），疲劳辉纹弧线清晰， 条带细密， 具有振动疲劳扩展特征现[1]。

图 2 断口沿晶特征

图 3 断口疲劳辉纹

2.3硬度分析

2.3.1 硬度

对断口中部剖面进行洛氏硬度检测[2]，结果见表1。

2.3.2 淬硬层深度

在剖面不同位置进行淬硬层深度检测[3]，结果见表2。

3 分析讨论

3.1裂纹萌生

在失效齿尖1-5的断口上均发现了沿晶断裂区和疲劳条纹区。通过断口剖面的金相观察发现，沿晶断裂区和疲劳条纹区之间存在明显的裂纹区，是疲劳裂纹产生的根源所在。断口的沿晶断裂区和疲劳条纹区与剖面的淬硬层组织和基体组织一一对应。齿轮渗碳淬火过程中，在高温条件下渗碳过程极快，如果温度过高或碳势过高，在淬硬层与基体的过渡区极易产生应力集中，诱发疲劳裂纹的产生[4]。

在淬硬层区域，部分马氏体粗大，原奥氏体晶界发黑、变粗甚至开裂，出现过热过烧现象。齿轮渗碳淬火温度过高是造成原奥氏体晶界过热过烧的主要原因[5]。材料内部的马氏体做为一种高硬度的脆性相，在原奥氏体晶界过热弱化后，极易在晶界处产生应力集中，萌生微裂纹；当过烧现象严重时，在热处理工序中原奥氏体晶界就会开裂。淬硬层内部残留的大量热裂纹会显著降低材料的强度，促进疲劳裂纹的萌生。

3.2疲劳扩展

齿轮表面淬硬层深度和心部硬度均超出工艺要求，造成这一结果的原因可能是回火温度和回火时间不够。回火是一个损失强度提高韧性的过程，回火后的组织硬度高于标准要求必然降低材料的韧性，降低材料阻碍裂纹扩展的能力。在过渡区的裂纹达到临界尺寸后就会沿着材料心部快速扩展，造成零件的失效。同时，回火还可以降低淬硬层表面的残余内应力。

3.3 工艺分析

图 9，失效原理图。

4改进建议

若失效现象多次重复出现，则应适当调整热处理工艺参数，降低渗碳淬火温度或保温时间，避免原奥氏体晶界出现过热过烧现象；增加回火温度或回火时间，在保证表面淬硬层深度的前提下，降低材料心部硬度，增强其韧性。

参考文献

[1] 陈立民， 李文天， 汪刚， 李小龙， 郭勇 某型发动机附件机匣主动锥齿轮断裂失效分析[C] 第十五届中国科协年会第13分会场：航空发动机设计、制造与应用技术研讨会论文集 2013.5

[2]GBT230.1-2009金属材料洛氏硬度试验 试验方法[S]

[3] GB/T 9450-2005 钢件渗碳淬火硬化层深度的测定和校核[S]

[4]汪庆华 热处理工程指南[M] 北京：机械工业初版 2011.8