商用車變速器工作時(shí)傳遞很大的扭矩，變速器齒輪承受彎曲應(yīng)力和接觸應(yīng)力雙重作用，齒輪極易發(fā)生彎曲疲勞和接觸疲勞失效，變速器齒輪的可靠性對變速器總成的質(zhì)量和使用壽命尤為重要。變速器在開發(fā)過程中要進(jìn)行多種變速器臺(tái)架試驗(yàn)，總成的可靠性試驗(yàn)是評價(jià)變速器總成綜合質(zhì)量的有效手段，變速器只有經(jīng)受住各種考驗(yàn)， 才能成為一款質(zhì)量可靠的產(chǎn)品。

　　01 問題描述

　　某商用車變速器在臺(tái)架試驗(yàn)過程中多次發(fā)生中間軸齒輪早期失效，最快的失效案例甚至發(fā)生在臺(tái)架試驗(yàn)僅2h后，失效的中間軸齒輪齒面發(fā)生了拉傷和剝落情況，失效問題嚴(yán)重影響了變速器的開發(fā)進(jìn)程，因此對這批失效樣品進(jìn)行全面深入的分析。

　　02 分析及檢驗(yàn)

　　失效模式分析：失效中間軸齒輪分度圓附近及其與齒根之間區(qū)域的齒面發(fā)生嚴(yán)重的剝落，如圖1所示。

　　對剝落輕微的部位分析發(fā)現(xiàn)，在分度圓位置， 尤其分度圓和齒根之間存在齒面拉傷痕跡，如圖2所示，說明齒面在較大接觸應(yīng)力的作用下，表面金屬發(fā)生塑性變形

　　圖2 分度圓下拉傷形貌

　　如圖3所示，金屬變形方向?yàn)閮升X輪嚙合時(shí)接觸點(diǎn)的滑動(dòng)方向，齒輪分度圓處為滾動(dòng)接觸，分度圓附近為滾滑接觸，該失效齒面的分度圓下方接觸應(yīng)力指向齒根，因此金屬拉傷方向和拉傷微裂紋方向朝向齒根，分度圓上方接觸應(yīng)力指向齒頂，因此金屬拉傷方向和拉傷微裂紋方向朝向齒頂。接觸應(yīng)力作用下齒面金屬逐步發(fā)生塑性變形強(qiáng)化，當(dāng)表層金屬變形量超過材料塑性極限時(shí)，表面拉傷產(chǎn)生開裂，齒面拉傷造成的裂紋深度大約為20～30μm，拉傷裂紋在載荷的反復(fù)作用下，不斷沿著裂紋邊緣向外擴(kuò)展，最終形成微小的淺層剝落。

　　圖3 表面拉傷微裂紋

　　運(yùn)用掃描電鏡分析齒面剝落的產(chǎn)生過程和擴(kuò)展過程。微小剝落在拉傷開裂處最先產(chǎn)生，如圖4所示，在表面接觸應(yīng)力的作用下擴(kuò)展出新的較大的剝落，如圖5所示，最終剝落呈扇形區(qū)域擴(kuò)展，并越來越嚴(yán)重，如圖6所示。

　　圖4 表面拉傷微裂紋及剝落

　　圖5 剝落擴(kuò)展模式

　　圖6 剝落擴(kuò)展過程

　　材料性能檢驗(yàn)分析：對失效中間軸齒輪取樣檢驗(yàn)，分析其材料性能是否滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，檢驗(yàn)項(xiàng)目包括表面硬度、心部硬度、硬化層深度、表面殘余應(yīng)力。檢驗(yàn)結(jié)果見表1。

　　中間軸齒輪表面硬度、心部硬度、有效硬化層深度均符合產(chǎn)品要求，表明滲碳淬火工藝良好。齒面殘余應(yīng)力較低，不滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

　　齒面磨削燒傷分析：通過對失效中間軸齒輪進(jìn)行宏觀金相組織分析發(fā)現(xiàn)，中間軸齒輪分度圓與齒根之間區(qū)域(即齒面失效位置一致)的齒面存在嚴(yán)重磨削燒傷情況， 造成齒面磨削二次淬火和磨削退火，磨削燒傷影響深度為0.5～1mm，如圖7所示，圖7中表面白色區(qū)為磨削二次淬火馬氏體區(qū)，此處齒面局部磨削溫度超過奧氏體化溫度，引起齒面二次淬火，該組織硬度高。白色區(qū)下方暗黑色區(qū)域?yàn)槟ハ魍嘶饘?，受表面磨削熱影響，表面下方發(fā)生退火，組織硬度下降， 削弱了次表層對齒面的支撐強(qiáng)度，進(jìn)一步降低了齒面壽命。兩塊白色區(qū)相互層疊說明磨削過程中發(fā)生兩次磨削燒傷，第二次磨削燒傷的熱量影響到第一次磨削燒傷區(qū)的金相組織變化。綜合以上分析， 中間軸齒輪磨削燒傷熱量極大，磨削燒傷嚴(yán)重。對所有失效中間軸齒輪和該批次生產(chǎn)的中間軸齒輪進(jìn)行抽樣檢驗(yàn)，均發(fā)現(xiàn)存在不同程度的磨削燒傷問題，并且磨削燒傷均發(fā)生在分度圓與齒根之間區(qū)域，表明此處磨削加工時(shí)冷卻效果不佳， 磨削工藝不良。

　　圖7 磨削燒傷特征

　　未發(fā)生磨削燒傷的齒面區(qū)域金相組織為馬氏體加殘余奧氏體3級，如圖8所示，滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

　　圖8 金相組織

　　03 分析討論與改進(jìn)建議

　　a.根據(jù)齒面剝落產(chǎn)生和擴(kuò)展模式分析，齒輪分度圓附近齒面在發(fā)生嚴(yán)重剝落失效前產(chǎn)生表面拉傷損傷。通過表面拉傷形貌分析，認(rèn)為中間軸齒輪嚙合時(shí)接觸應(yīng)力較大，齒面金屬逐步發(fā)生塑性變形強(qiáng)化，塑性變形能力也逐步減小，當(dāng)達(dá)到變形極限后，齒面拉傷碎裂為微小剝落。因此變速器中間軸齒輪接觸應(yīng)力強(qiáng)度是引起剝落的誘因，建議改善齒面應(yīng)力狀態(tài)。但導(dǎo)致齒面剝落快速擴(kuò)散，甚至幾小時(shí)就發(fā)生大面積剝落的主要原因是磨削燒傷。

　　b.根據(jù)中間軸齒輪的磨削燒傷分析，中間軸齒輪早期失效的主要原因?yàn)槟ハ鳠齻Ｄハ鳠崃吭斐?齒面二次淬火，使表面硬度顯著提高，并形成很大的拉應(yīng)力，同時(shí)二次淬火層下面發(fā)生二次退火，使齒面次表層硬度下降，降低了次表面強(qiáng)度，進(jìn)一步削弱齒面抗接觸應(yīng)力和壓應(yīng)力損傷的能力。磨削燒傷造成齒面抗剝落性能下降，提高了齒面剝落擴(kuò)展的速度，因此變速器在臺(tái)架試驗(yàn)早期即發(fā)生失效。磨削燒傷均發(fā)生在分度圓和齒根之間區(qū)域， 該區(qū)域齒面有些內(nèi)凹，這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也造成此處磨削難度較大，冷卻液不易進(jìn)入，影響冷卻效果， 建議改進(jìn)磨削工藝，調(diào)整磨削次數(shù)和磨削進(jìn)給量， 控制磨削熱輸入量，改善此處磨削冷卻條件。

　　c.根據(jù)材料性能檢驗(yàn)分析，中間軸齒輪的滲碳淬火工藝良好，而表面殘余應(yīng)力不符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)， 雖不會(huì)造成齒輪早期失效，但影響齒面接觸疲勞強(qiáng)度，需改進(jìn)齒輪噴丸工藝參數(shù)，提高齒面壓應(yīng)力，提升齒面抗接觸疲勞性能。

　　04 結(jié)論 

　　a.中間軸齒輪早期失效問題主要因齒面磨削燒傷引起，此批生產(chǎn)的中間軸齒輪存在嚴(yán)重磨削燒傷情況，建議改進(jìn)磨削工藝。同時(shí)齒面接觸應(yīng)力較大，即使齒輪無磨削燒傷也有表面拉傷的可能，需后期臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)一步觀察，因此需關(guān)注和改善齒面應(yīng)力狀態(tài)。

　　b.中間軸齒輪的表面硬度、心部硬度、硬化層深度、金相組織符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，表面殘余應(yīng)力不符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，建議提高噴丸強(qiáng)度，增加齒面殘余壓應(yīng)力。