某车辆差速器行星齿轮早期断裂原因

张爱敏, 张爱国, 陈鹭滨

(1.山东大学 材料科学与工程学院 材料液固结构演变与加工教育部重点实验室, 济南 250061;2.宁阳县职业中等专业学校 汽车工程系, 宁阳 271400)

随着交通运输领域的飞速发展，市场对于车辆传动系统性能的要求越来越高[1-2]。差速器是汽车变速器最重要的传动零件之一，由于其不断地承受着变化的转速和载荷，容易发生早期失效事故[3-4]。行星齿轮是车辆差速器中的关键部件，其稳定性直接决定了差速器的使用寿命。通过分析齿轮失效的原因，制定科学的预防方案,可以提高齿轮的寿命,降低齿轮故障的概率。

齿轮发生故障的原因既可能来源于齿轮自身的缺陷，也可能来源于机械运动等外部因素。齿轮失效的形式一般包括齿轮疲劳折断、齿轮过载折断、齿面磨损、齿面点蚀等[5-6]。

某车辆差速器行星齿轮在运行过程中发生了打齿失效，齿轮多处断裂。笔者采用一系列理化检验方法，分析了该齿轮断裂的原因，以避免该类事故再次发生。

1 理化检验

1.1 宏观观察

该行星齿轮材料为20CrMnTi钢，热处理工艺为渗碳+淬火+回火，渗碳硬化层深度为0.90～1.35 mm，表面硬度为56～62 HRC，心部硬度为35～45 HRC，齿轮内孔压装了一个黄铜衬套。断裂齿轮宏观形貌如图1所示，由图1可知：齿轮有3处发生了断裂，均在齿根部，齿轮内表面可观察到明显的摩擦痕迹。异常摩擦引起齿轮内壁发热进而发生回火，根据摩擦区域的颜色判断，回火温度为300～350 ℃，高于齿轮的正常回火温度(180 ℃)。断口上可观察到明显的放射线，根据放射线方向可初步判断齿轮的开裂源位于图1b)中标注区域，断裂类型属于疲劳断裂。

图1 断裂齿轮宏观形貌

1.2 化学成分分析

在齿轮断口附近取样，采用直读光谱仪进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：齿轮化学成分符合GB/T 3077—1999 《合金结构钢》对20CrMnTi钢的要求。

表1 断裂齿轮化学成分 %

1.3 金相检验

根据GB/T 13298—2015 《金属显微组织检验方法》的要求，截取断裂齿轮断口截面及垂直于断口截面的试样，试样经镶嵌、磨制、抛光后将其置于光学显微镜下观察，发现齿轮内孔及齿部有若干裂纹分布，裂纹呈应力开裂特征(见图2)。

图2 齿轮裂纹微观形貌

将试样按GB/T 10561—2005 《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》进行非金属夹杂物评定，发现各类非金属夹杂物等级均小于1.0级。试样经4%(体积分数)硝酸酒精溶液侵蚀后，其正常部位表层组织为细针状马氏体+粒状碳化物，心部组织为板条状马氏体(见图3)。图4为齿轮内壁的显微组织形貌，腐蚀后齿轮内壁附近颜色较深，原因是擦伤后导致齿轮内壁附近组织发生回火，回火组织更易腐蚀，造成该区域显微组织颜色较深。

图3 齿轮正常部位的显微组织形貌

图4 齿轮内壁显微组织形貌

1.4 硬度及硬化层深度测试

用HMV-2T型显微硬度计测试齿轮硬化层，其表面硬度为61～62 HRC,心部硬度为39～40 HRC；根据GB/T 9450—2005 《钢件渗碳淬火硬化层深度的测定与校核》，测试齿轮的硬化层深度为1.10～1.15 mm。

1.5 断口分析

采用JSM-6610LV型扫描电镜(SEM)观察齿轮断口的微观形貌，结果如图5所示。从图5可知：齿轮断裂形式属于疲劳断裂，断口可见圆弧状疲劳贝纹线。开裂源尖角处可观察到微裂纹，且开裂源区域可见擦伤痕迹，裂纹扩展区既有解理特征又有韧窝特征，属于混合断口[7]。

图5 齿轮断口SEM形貌

2 综合分析

由上述理化检验结果可知：齿轮的化学成分、显微组织、硬度及硬化层深度均符合相关标准要求，由此可基本判断齿轮的加工制造过程无明显问题。在齿轮内壁发现多处摩擦擦伤及磨损缺陷，断口SEM形貌显示开裂源尖角处有微裂纹，且在开裂源区域发现明显擦伤痕迹，由此推断齿轮发生过异常的摩擦磨损。同时，断口SEM形貌可见明显疲劳贝纹线，裂纹扩展区既有解理特征又有韧窝特征，由此判断齿轮断裂属于疲劳断裂。

综合上述分析结果，结合齿轮的具体工作环境和受力特点，可判断齿轮在服役期间，由于齿轮内的黄铜衬套与齿轮内壁发生摩擦，因此内壁发生了磨损擦伤，擦伤区域易产生应力集中。在正常载荷下，擦伤区域过早地萌生裂纹，进一步扩展发生疲劳断裂。

3 结论及建议

齿轮内壁和齿轮内的黄铜衬套发生摩擦导致齿轮内壁磨损擦伤，擦伤区域产生应力集中引起齿轮发生疲劳断裂。

建议加强齿轮内壁异常摩擦原因的排查，检查齿轮的润滑情况以及安装过程是否合格，排查齿轮与黄铜衬套之间是否有异物卷入。