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1、2000年12月 陕 西 工 学 院 学 报Dec. 2000 第16卷第4期 Journal of Shaanxi Institute of TechnologyVol. 16 No. 4 【文章编号】1002 - 3410(2000)04 - 0024 - 03 汽车减速器从动斜齿轮断齿分析 朱杰武 (汉中师范学院 物理系,陕西 汉中 723000) 【摘 要】 对汽车主减速器从动斜齿轮断齿的断口进行了宏观检测,并对其金相组 织进行了分析,找出了产生故障的原因、 据此对原生产工艺提出了相应的改进措施。 【关 键 词】 斜齿轮; 断齿; 微裂纹; 疲劳断裂 【中图分类号】 TG113. 25
2、 + 5 【文献标识码】 B 收稿日期:2000 - 09 - 10 作者简介:朱杰武(1952 - ) ,男,陕西武功人,汉中师范学院副教授,主要研究方向为金属热处理工艺。 1 问题的提出 运行了仅三千多公里的某型号四吨载重卡车因其主减速器从动齿轮突然断裂而抛锚,拆 修时发现从动斜齿轮紧靠油孔的两枚轮齿崩断,其余齿顶部不同程度崩块和挤伤,汽车制造厂 要求分析1。 2 检测结果 经调查获知,该从动齿轮所用钢材为20CrMn ,断齿齿轮取样测定化学成份W( %)为: 0.27C ,1. 10Cr ,1. 07Mn ,0. 36Si ;热处理工艺要求为:轮齿表面渗碳层厚度应为 (1. 3 1. 5
3、) mm ,淬火低温回火后齿轮表面硬度应为5658HRC ,齿心部硬度应为3045HRC ,渗碳层表 面不允许有网状碳化物。 宏观放大 (6 )观察断齿断口为疲劳断口,疲劳源位于油孔边缘的齿根部。 金相检测发现,断齿表面层存在夹杂团絮和微裂纹,裂纹尖端附近伴随有方块状非金属夹 杂(图1) ,裂纹沿晶,穿晶发展,而轮齿晶粒大小不均匀(图2) ;齿表面层显微金相组织为回火 马氏体加大量不规则条块状铁素体(图3) ,靠齿心部一侧组织为回火马氏体和回火索氏体以 及块状铁素体,且存在方块状非金属夹杂;轮齿根部可见大量较深划痕(图4) ,轮齿心部是粗 大马氏体和少量索氏体组织(图 5) 。 3 失效分析
4、检测表明,断齿的从动斜齿轮所用钢材冶金质量较差,轮齿显微组织中存在较多的非金属 方块状和其他形状夹杂;渗碳层较浅且表面层附近含碳量较低(由图形可以看出表面层处板条 马氏体数量较多且有非马氏体组织 ) , 渗碳层存在块状铁素体;而在轮齿根部的油孔处存在较 深的机加工刀痕和微裂纹。显然,在服役过程中,交变应力作用于轮齿上时,轮齿端部强度较 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 图1 裂纹尖端附近的方块状夹杂 (300 ) 图2 轮齿晶粒大小不均匀 (250 ) 图3 断齿表面层的M和块状F(4
5、00) 图4 齿根部切削刀痕和 微裂纹 (300 ) 图5 轮齿心部粗大M和 S组织 (300 ) 低而塑韧性较好,在传递作用力时产生较大的变形;而齿根部靠油孔处存在较深刀痕和微裂 纹,则使受力最大的齿根处于更恶劣的应力状态,由于刀痕构成缺口,且齿根处齿厚度大,即此 处属平面应变状态,使这一部位呈现三向应力状态而难于发生塑性形变2;在随机小能量多 52第4期 朱杰武 汽车减速器从动斜齿轮断齿分析 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 次冲击下,应力幅值不断变化,使缺口和裂纹尖端钝化 尖锐交
6、替反复进行,而齿轮用钢晶 粒大小不均匀,轮齿内部局部区域强度高低不尽相同,必然使裂纹不断扩展而削减应力集中峰 值;当裂纹扩展到足以能自发扩展时,或接近这一临界状态时,在突然冲击作用下则形成快速 脆断。从断口形貌可以看出,两枚断齿均为疲劳汤裂3,只是其中一枚齿断口剪切唇面积较 大一些,所以可以认为两枚齿先后断裂相隔很短时间,即当一枚齿突然断裂时,整个齿轮递传 系统发生跳跃式波动,轮齿受到一较大冲击力,使另一枚已发生较长时间疲劳裂纹亚临界扩展 的齿轮骤然崩断。注意到齿轮组织中非金属夹杂尖角处有微裂纹;若轮齿无刀痕,则轮齿服役 寿命虽可增长,但非金属夹杂将必然成为疲劳裂纹源。 4 防止从动斜齿轮早期
7、失效的措施 分析可知从动斜齿轮因渗透碳层偏浅且表面层碳含量偏低导致淬火后组织中出现先析出 块状铁素体,抗弯强度和弯曲疲劳强度下降;同时由于靠近油孔的轮齿根部存在大量刀痕和微 裂纹构成疲劳源,因而在服役过程中形成典型的弯曲疲劳断裂。防止措施为: a.按技术要求,适当提高渗透碳温度或延长保温时间以确保渗碳层厚度;严格控制渗碳 工艺各阶段有关参数,保证表面层具有适宜的碳含量。 b.改进油孔设计,提高油孔加工面精度,减少以至避免造成疲劳源。 c.对选用的钢材严格质量检查,保证工件原材料冶金质量,控制渗碳前预处理质量,提高 轮齿基体强度和韧性。 汽车制造厂以此分析结论为依据,改进工艺及设计并控制用钢冶金
8、质量,保证了斜齿轮性 能。 【 参 考 文 献 】 1 朱杰武.圆锥齿轮失效分析J .陕西工学院学报,2000 ,16(1) :18 - 21. 2 金属机械性能编写组.金属机械性能(修订本) M.北京:机械工业出版社,1982. 3 黄明志,石德珂,金志浩.金属力学性能M.西安:西安交通大学出版社,1986. Analysis of fracture gear of the passive oblique gear in autos decelerator ZHU Jie-wu (Dept. of Physics of Hanzhong Teachers College , Hanzhong
9、 723000 , China) Abstract : A macro testing is made on the nick of the fracture gear in the passive oblique gear of autos main decelerator. An analysis is made on the structure of its metal phase as well. The causes of trouble are found out. Thus , the corresponding measures for improvements on the former techniques are put forward. Key words : oblique gear ; fracture gear ; micro - crack ; fracture of fatigue 62 陕 西 工 学 院 学 报 第16卷 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
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