摘要：介绍了齿轮轴常见的失效形式，针对试验中失效零件，对其进行宏观断口检查、金相组织、硬度、磨削烧伤等分析，结果表明：齿轮齿根应力集中形成多源疲劳断裂，最终导致断齿。同时提出改进措施，有效解决了断齿问题，为解决变速器齿轮轴断齿问题提供思路。关键词：断口检查；磨削烧伤；断齿；疲劳断裂中图分类号:TH132.41文献标志码:粤文章编号：员园园圆原圆猿猿猿（圆园20）03原园147原园3BrokenGearFailureAnalysisofaTransmissionIntermediateShaftGearLIBenjun1,WANGDongxia2,CUIDongwei1,WANGYangguang1Abstract:Thecommonfailuremodesofgearshaftsareintroduced.Macrofractureinspection,metallographicstructure,hardness,grindingburnsandotheranalysisareperformedonthefailedpartsduringthetest.Theresultsshowthatthestressconcentrationofthegearrootcausesmulti-sourcefatiguefracture,whicheventuallyleadstobrokenteeth.Improvementmeasuresareproposedtoeffectivelysolvetheproblemofbrokenteethandprovideideasforsolvingtheproblemofbrokengearteethofthetransmissiongearshaft.
Keywords:fractureinspection;grindingburns;brokenteeth;fatiguefracture
(1.HaimaMotorCo.,Ltd.,Zhengzhou450005,China;2.ZhengzhouuniversityofFinanceandEconomics,Zhengzhou450005,China)0引言
近年来，随着汽车工业的快速发展，汽车变速器作为汽车传动系统中最重要的部件之一，对其承载能力及工作可靠性的要求也越来越高。齿轮作为汽车变速器中最重要的动力传动零件，由于受齿面接触应力及齿根弯曲应力的影响，常见的失效形式是齿面点蚀和轮齿折断[1-2]。轮齿折断主要出现以下两种情况：1）齿轮受到足够大的冲击载荷，造成轮齿弯曲折断；2)齿轮在交变应力的多次作用下，从齿根疲劳源起始的裂纹深度不断扩大，使轮齿剩余截面上的应力超过其极限应力，最终出现轮齿弯曲折断。轮齿折断一般发生在齿根处。汽车变速器中，常见轮齿折断的情况是后者[3]。
文中就某变速器在开发过程中产生的齿轮轴轮齿折断问题进行分析，并提出改进措施，为变速器齿轮轮齿折断问题的分析与解决提供参考。1研究对象
某变速器齿轮在进行混合耐久试验时，运行至总循环次数的75%时，出现中间轴轮齿折断。齿轮材料为TL4521，渗碳淬火，有效硬化层深度为0.4耀0.7mm，表面料检验寅锻造寅等温正火寅锻坯检验寅精车寅齿坯检验寅滚齿寅机倒棱寅轧花键1寅轧花键2寅钻深孔寅钻小孔寅扩孔、攻螺纹寅防渗处理寅渗碳淬火+回火寅抛丸寅回螺纹寅打标记寅研中心孔寅校直寅轧花键寅洗深孔寅硬车端面寅磨外圆1寅磨外圆2寅磨外圆3寅磨齿寅磁粉探伤寅终检寅GP12寅双啮寅清洗寅包装。
为了确定中间轴齿轮断齿原因，分别对其齿轮表面硬度、硬化层深度、金相组织、化学成分、齿根圆角及断口形貌进行检测分析。图1为断口宏观形貌。2
检测与分析
图1断口形貌2.1中间轴齿轮硬度、硬化层检测
参照GB/T4340.1-2009、GB/T230.1-2018分别对齿轮表面硬度、心部硬度及硬化层进行测试，测试结果如表1所示，均在设计要求范围之内。
表1中间轴齿轮硬度、硬化层检测结果对比项表面硬度/HV心部硬度/HRC硬化层(550HV1)深度/mm设计值跃65030耀450.4耀0.7实测值678.6耀683.536.7耀37.30.568结论合格合格合格2.2金相组织
在失效件的齿部切取试样并制样后，在显微镜下观
硬度大于650HV，心部硬度为35~48HRC。生产工序：材
察试样未见气孔、夹杂等冶金缺陷。在室温条件下，用体积分数为4%的硝酸酒精溶液擦拭试样表面直至发生侵蚀，用ZEISS金相显微镜观察，按照QC/T232-1999标准执行，检验结果如下：碳化物级别为2级，残余奥氏体和马氏体级别为2级，表面未见非马氏体组织，心部组织为马氏体组织+贝氏体+铁素体。
网址：www.jxgcs.com电邮：hrbengineer@163.com圆园20年第3期147机械工程师MECHANICALENGINEER2.3化学成分检测
根据设计要求中间轴齿轮的材料为TL4521，在该轴上切取试样并制样后，采用
图2齿部组织（500伊）2.5磨削烧伤检验
采用酸浸蚀法检测该产品的磨削烧伤程度，产品的齿面局部位置发生烧伤，齿根存在轻微烧伤（如图6）。2.6
断口分析利用扫描电子显微镜对齿轮断口进行观察和分析，该零件断裂面较平整光滑，基本无磨损痕迹，断裂面分为3个区域：疲劳源区、稳定扩散区、快CrMoAl快速断裂区齿面烧伤齿根烧伤ARL3460型检测失效件的材料化学成分。经检测，该件产品的材料化学成分符合
图6磨削烧伤检验台式光谱仪
裂纹稳定扩展区疲劳源区设计要求，
图3对比项标准值实测值C心部组织（500伊）结果如表2所示。
PS图7断裂面三个区域（10伊）Cu%Ni表2SiMn中间轴的材料化学成分质量分数检测速断裂区（如图7）。
疲劳源区位
0.170耀0.220臆0.1200.500耀0.800臆0.0250.200耀0.3500.650耀0.8500.280耀0.3800.020耀0.050臆0.2000.19000.10000.71000.00760.02960.72000.32000.03700.0500——于齿面受力侧底
2.4齿根圆角检测
部圆角处，圆弧面较光滑平整，无肉眼可见冶金缺陷。疲劳源区表面粗糙，可以看到大量的疲劳台阶（如图8）。稳定扩展区面积较大，大部分区域表面光滑，隐约可见少量疲劳弧线，靠近齿端一侧存在较大疲劳台阶（如图9）。快速断裂区所占面积较小，表面较为粗糙（如图10）。通过上述分析可知，零件断裂属于多源疲劳断裂。裂纹源位于靠近齿端面
经检测，齿根断齿一侧齿根圆弧过渡较突然（如图4）。对故障件齿根观察，发现存在明显的刀痕（如图5）。
图4齿根圆弧检测刀痕的受力侧圆角底部，裂纹源区存在大量疲劳台阶，说明裂纹产生前应力集中较严重。该失效件稳定扩展区表面光滑，少
图8疲劳源区（16伊）图5齿根刀痕图9稳定扩散区（12.5伊）148圆园20年第3期网址：www.jxgcs.com电邮：hrbengineer@163.com机械工程师MECHANICALENGINEER量疲劳弧线隐约可见，说明裂纹扩展过程中应力变化不大。当不同部位、不同平面的疲劳裂纹在稳定图10快速断裂区（12.5伊）丸粒将热处理后轮齿表面残余的奥氏体转化为马氏体并产生残余压应力，从而显著提高齿轮抗疲劳性能及齿轮寿命[4-6]。喷丸具体要求：丸粒大小准0.36耀准0.45mm；覆盖率不低于98%；距齿根表面0.01mm处残余应力不小于500MPa，0.03mm处残余应力不小于800MPa。1件进行磨削烧伤检测。
2）优化磨削工序工艺参数，同时增加过程质量控制，3）加强供应商过程检验，在终检工序外观检测中增
在磨削工序中增加磨削烧伤检验项目，要求每150件送检
扩展后相遇时，会形成加齿根检测项目，明确齿根刀痕不予接受。
通过上述改进措施，提高了齿根弯曲强度，同时避免了齿轮表面磨削烧伤问题及磨削到齿根问题。5
结语
中间轴齿轮齿根处存在明显的磨削刀痕，同时齿根圆角过渡处存在台阶，造成齿根处应力集中；磨齿时工艺参数设置不合理引起齿轮表面烧伤，造成齿根弯曲强度降低。通过采用强力喷丸工艺并优化磨削工艺参数，顺利通过了混合耐久试验，有效解决了中间轴齿轮断齿问题。
[参考文献]
[1][1][2][3][4][5][6]赵强.变速器齿轮弯曲应力分析建模与仿真[D].长春:吉林大学,2009.张茂国.渗碳淬火齿轮断齿分析[J].金属加工(热加工),2018(6):55-57.吴继泽,王统.齿根过渡曲线与齿根应力[M].北京:国防出版社,1989:89-93.秦春红.汽车变速器齿轮强度的分析与评价[D].长春:吉林大学汽车工程学院,2011.董庆峰.喷丸对齿轮弯曲疲劳影响的数值仿真及试验[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2014.孙艳,罗宏亮.强化喷丸对渗碳齿轮表面接触疲劳裂纹形成与扩散的影响[J].汽车技术,2009(1):56-58.2009(1):36-38.位君,王义,吴喜柱,等.变速器齿轮断齿失效分析[J].汽车零部件,（责任编辑邵明涛）二次疲劳台阶，该失效件稳定扩展区存在较大的疲劳台阶就是因此形成的。快速断裂区所占比例受材料强度和循环应力共同影响，该失效件快速断裂区所占比例较小，说明材料本身强度较理想。3中间轴齿轮断齿原因分析
从前面宏观和内在质量检测分析可以看出，中间轴齿轮的化学成分，金相组织、硬度均合格。从齿根圆角检测、磨削烧伤检验、断口分析可知，断齿原因如下：
1）该中间轴齿轮的齿与齿根之间过渡不圆滑，齿根
处存在较深的加工刀痕，引起应力集中，当应力集中较明显时，会有多个疲劳源同时产生，这些疲劳源不在一个平面上，在受交变载荷的作用下会不断扩展，在扩展的过程中互相连接易形成疲劳台阶，发生疲劳断裂，从而使轮齿折断；
2）齿轮材料为低碳合金钢，通过渗碳淬火提高齿轮
表面强度。在磨齿工序，故障件采用CAPP蜗杆磨齿机加工，磨削时工艺参数给定的进给量过大，同时砂轮过钝，使磨削时瞬间温度过高，极易造成齿轮表面二次回火，引起表面烧伤，从而降低齿根弯曲强度。4改进措施行改进：
针对上述原因，主要从以下几方面对中间轴齿轮进1）齿根采用强力喷丸工艺。强力喷丸主要通过高压作者简介:李本军(1981—),男,硕士,工程师,从事变速器开发工作。收稿日期:2019-09-04[6][7][8][9]李焱,高秀峰.A-C轴双摆角铣头发展现状与关键技术[J].机械设计与制造,2011(11)：195-197.术与机床,2011(4)：20-21.76-77.徐吉存,刘春时.浅谈直驱式双摆头特点及关键技术[J].制造技张富正.行程开关中的结构应用[J].中国新技术新产品,2012(24):高跃武,赵庆志.行程开关和接近开关在数控系统中的匹配设计[J].机床与液压,2015(4)：141-143.122-123.（责任编辑张立明）（上接第146页）
从以上结构可以看出，在双摆头的限位机构设计中，受结构空间的限制，通常把C轴的旋转运动转化或者通过减速将C轴的多圈转动降至一圈以内，通过限位开关达到C轴的软限位。
[参考文献]
[1][2][3][4][5]易刚.五轴头技术水平分析及关键技术[J].金属加工,2011(5)：46-47.高秀峰,李焱.A-C轴双摆角铣头共性关键技术研究[J].机床与液压,2011(11):8-13.高秀峰.直驱式A/C轴双摆角铣头的研发与应用[J].世界制造技术与装备市场，2017(6):35-39.郑鹏,王耀博.直驱式A/C轴双摆角铣头故障树分析和泄漏问题改进[J].机械工程师,2015(1):26-28.闫明,林剑峰,郑鹏,等.直驱式A/C轴双摆角铣头C轴结构单元有限元分析[J].组合机床与自动化加工技术,2010(4):13-15,19.[10]王飞.数控机床超程保护的几种方式[J].机床与液压,2011(18)：作者简介：梁艳超（1980—），男，硕士，工程师，从事金属加工设备的设计制造工作；王刚（1982—），男，硕士，工程师，从事金属加工设备的设计制造工作。收稿日期：2019-07-05网址：www.jxgcs.com电邮：hrbengineer@163.com圆园20年第3期149
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容