某款变速器中间轴断轴失效分析

程森，马卓，宋萌萌，王成清

(浙江万里扬股份有限公司，浙江金华 321025)

0 引言

轴类零件失效与其设计刚性、材料、热处理工艺以及载荷等密切相关。对失效工件进行相关分析，并进行适当优化，达到使用要求，是产品质量问题处理的最基本手段。文中即通过对失效工件的宏观、微观分析、理论计算后，拟出初步对策，并进行实验验证，确定最佳的解决方案，形成解决此类型故障的思路和方法，供同行参考。

1 材料和热处理工艺

某款变速器中间轴爬坡挡处在台架实验进展到标准要求的25%时出现断裂情况。此中间轴材料为20CrMnTiH材料，采用渗碳淬火热处理方法，要求“硬化层深0.7～1.1 mm，表面硬度58～63HRC，心部硬度33～45HRC”。

2 理论计算模型的建立和计算

该款变速器基于MASTA计算模型2D视图如图1所示，计算条件如表1所示。

图1 MASTA计算模型

表1 7TS60-WLY-100变速器MASTA计算输入条件

计算结果如表2—表3所示。

结论：从计算的结果与同类产品的对比看，爬坡挡齿轮副接触疲劳强度相对偏弱；中间轴疲劳强度相对偏弱。

3 台架实验结果与讨论

3.1 宏观断口形貌

经过台架实验，爬坡挡运行55～60 min(进展约25%)后，出现中间轴断裂，其余挡通过台架实验。

端裂位置发生在图1所示中间轴的截面B，啮合齿面未出现明显的点蚀现象，端面比较平齐。断裂件如图2所示。

图2 中间轴断裂位置与断裂处端面形状

3.2 热处理金相分析

表面硬度： 61.5HRC；心部硬度： 39HRC；硬化层深： 0.916 mm；M+Ar：3级；K：1级；非M：0.012 mm。

结论：符合要求。

3.3 材质光谱分析

经对故障件进行材质光谱分析，其各元素成分如下：

αC=0.221%，αSi=0.279%，αMn=0.922%，αP=0.008 2%，αS=0.008 8%，αCr=1.089%，αMo<0.010%，αNi=0.008 5%，αCu=0.031%，αAl=0.042%，αFe=97.20%。

结论：对照20CrMnTiH材料组织成分，符合要求。

4 原因分析与改进措施

从上述理论计算，和金相、组织分析来看，中间轴断裂比较异常，而且断裂面并非发生在最薄弱的截面A处，断口比较整齐，属于脆性断裂。

经过总结分析，原因初步锁定为：轴的刚性不足，加载时轴产生了挠曲，造成爬坡挡齿轮副啮合时接触不良，其接触面集中在爬坡挡齿轮副的截面B侧，所以中间轴截面B附近局部压力大，首先局部被“啃伤”，进一步削弱了中间轴此处的强度，然后造成断裂。

针对以上原因分析，制定改进措施如下：

(1)增加硬化层深度，硬化层深由0.7～1.1 mm，提升一个规格，调整为1.0～1.3 mm；

(2)对二轴爬坡挡齿轮进行齿向“锥形”修形，改善加载后啮合时的接触状态。通过MASTA计算后的修形量如表4和图3所示。

表4 爬坡挡齿轮微观修形参数

图3 通过MASTA计算的修形量

5 试验与验证

实验方法：采用机械封闭变速器疲劳强度试验台，两台变速器背靠背安装，靠加载电机一侧的为主试箱，另一台为陪试箱。加载电机对主试箱的输入扭矩为480 N·m，转速为1 680 r/min 。

实验状态及对应结果如表5所示。

经试验结果显示，L4状态最佳。

表5 实验状态及对应结果

6 结论

对于类似此例变速器中间轴断裂问题，主要是由于齿面载荷分布异常形成了中间轴上的强度缺陷，从而导致异常断裂。因而解决问题的最佳思路是通过“加深轴的硬化层深度”以及“对啮合齿轮进行齿轮修形”，以提高齿面的实际强度和受力时的啮合状态，避免失效问题的产生。加深轴的硬化层深度时，也不得过深，要考虑齿顶淬透的危险。

齿向修形时，首先要注意修形方向，如此例中由于中间轴最大挠曲量在中部，故修形后，初始未加载啮合时，啮合面接触在A侧，加载后才可保证A-B侧整个齿面基本全啮合；其次要注意修形量，修形量与载荷强相关，一般是先通过MASTA进行修形模拟计算，再通过台架实验进行验证，并通过观察台架失效件的齿轮啮合面的接触处磨损情况，进行微调得出最佳修形量。