汽車變速箱行星齒輪軸斷裂失效分析

2019-10-25

王令，李志華
（格特拉克（江西）傳動系統有限公司）

　　差速器主要由差速器殼體、行星齒輪、半軸齒輪、從動錐齒輪、調整墊片、軸承以及行星齒輪軸等組成，行星齒輪軸的作用是將轉矩傳給行星齒輪，實現轉矩分配，從而使車輪實現差速運轉，在運行過程中，行星齒輪軸承受扭轉力和彎曲力。
　　1.情況描述
　　本文對變速箱進行差速器耐久性試驗，檢測零部件使用壽命情況。試驗測試過程中，變速箱出現異響，立即停止試驗，拆箱檢測后，發現差速器殼體破損，行星齒輪軸斷裂。行星齒輪軸材料為彈簧鋼42CrMo，材料執行標準GB/T3077《合金結構鋼》。為保證行星齒輪軸的耐磨性和疲勞強度，本文零件熱處理工藝：淬火+回火+表面氣體氮化。
　　2.結果與討論
　　（1）宏觀分析
　　變速箱進行差速器耐久性能試驗測試過程中發生異響，后進行拆箱分析發現行星齒輪軸斷裂，差速器已破損，如圖1所示，虛線箭頭標識處為斷裂行星齒輪軸。圖2為軸斷口的整體形貌，斷裂源位于圓周表面，且磨損嚴重，由外向內擴展，終端區位于軸中心區域。

圖1 失效的差速器總成

圖2 行星齒輪軸的斷口形貌

　　（2）微觀分析
　　采用能譜分析儀（SPECTRO/LAB LAVM10）對行星齒輪軸進行材料化學成分檢測，其檢測結果如表1所示，行星齒輪軸材料化學成分均符合GB/T3077《合金結構鋼》的技術要求。

表1 行星齒輪軸的材料化學成分（質量分數）（%）

　　采用維氏硬度計（FUTURE-TECH/LC-200RB）測量斷裂行星齒輪軸的表面硬度、基體硬度，檢測前先用標準試塊進行校準；對斷裂軸的斷口進行金相取樣，經鑲嵌、打磨、拋光、腐蝕后，采用光學顯微鏡（ZEISS/HAL100）進行顯微金相組織檢測，結果如表2所示，表面硬度、基體硬度、氮化層深、氮化物和脆性級別等均符合技術要求，但表面疏松達到4級，不符合技術要求，這直接導致零件表面強度下降，在使用過程易產生裂紋，降低零件的疲勞壽命。

表2 行星齒輪軸的硬度和金相組織

圖3 表面金相組織（500×）

　　采用掃描電子顯微鏡SEM（EVO18）對斷口進一步分析，圖4為斷口裂紋源形貌，表面存在疲勞輝紋（見凸4b白色箭頭標識），且疲勞紋是沿著圓周方向擴展，在整個圓周方向上先形成一層裂紋，距表面大約1mm，主要原因是行星齒輪軸在變速箱內受旋轉扭力，且零件氮化后表面形成一層氮化組織，脆性相對基體大。

圖4 斷口裂紋源SEM形貌

　　圖5和圖6分別為擴展區和瞬斷區SEM形貌，主要表現為解理斷口，表明零件受到外力較大，斷裂速度快。

圖5 斷口擴展區SEM形貌

圖6 斷口瞬斷區SEM形貌

　　圖7、表3是裂紋源能譜檢測位置和結果，其中譜圖1、2、4檢測部位為氮化化合物層區域，其中譜圖1和譜圖4區域可見明顯的大量孔隙，對其進行能譜分析，該區域的氧含量明顯大于譜圖2和譜圖3區域，且Z靠近表面的譜圖4區域，含氧量Z高，遠超過其他區域，表明零件氮化后表面疏松區域被氧化，降低表面強度和疲勞性能，導致零件試驗過程中發生斷裂。

圖7 斷口裂紋源能譜檢測位置

表3 能譜檢測結果（質量分數）（%）

　　3.結語
　　行星齒輪軸氮化后，表面化合物層疏松組織不合格，試驗過程中受到外力，形成裂紋源，并進一步向中心區域擴展導致完全斷裂。

來源：《金屬加工（熱加工）》