前言

　　2013-2014年期間，我公司一客戶有款乘用汽車后橋被動齒輪，在售后市場出現(xiàn)了5例斷齒故障，最短行駛里程為2455KM，最長為44906Km嚴(yán)重影響了客戶的品牌形象，同時也削弱了我公司的市場競爭力，給公司的經(jīng)營帶來了負(fù)面影響。

　　斷齒是齒輪最嚴(yán)重的失效形式,失效后，齒輪的傳動功能喪失，后橋不能實(shí)現(xiàn)力矩的傳動，車輛不能正常行駛，容易發(fā)生事故造成人身傷害，為此對該后橋齒輪打齒問題進(jìn)行立項(xiàng)運(yùn)用《質(zhì)量工具》分析。

　　一、項(xiàng)目選擇

　　1、失效齒輪信息

打齒齒輪售后信息

       2、對失效齒輪斷口進(jìn)行描述

　　3、對斷口形貌分析 4、對裂紋源形貌進(jìn)行分析

　　斷口結(jié)論：

　　該5起斷齒故障被動齒輪，斷裂齒數(shù)均3-4個齒，且位于接觸區(qū)的位置，從齒輪小端走向大端與且是與面錐相交的齒頂處(距離小端約5mm處的中間偏大端)斷裂。

　　5、對斷口微觀進(jìn)行分析

　　斷口高倍組織形貌齒面部位金相組織

　　結(jié)果：該齒輪的斷裂是由于過應(yīng)力造成的，屬彎曲低周疲勞斷裂(脆性斷裂)。

　　二、確定產(chǎn)品特性Y

　　1、齒輪斷齒失效機(jī)里分析

　　工作原理：

　　車輛行駛時，發(fā)動機(jī)通過傳動軸直接將動力(風(fēng)駿皮卡車型要230N.m)傳遞到主動齒輪，主動齒輪與被動齒輪嚙合，通過被齒兩端的半軸將力傳遞到車輪上。

　　失效機(jī)理：

　　如果齒輪在運(yùn)行過程中齒根受到的應(yīng)力?_F超過材料本身承受的極限應(yīng)力?_Fim，即?_FimY_NT﹤ ?_FY_θ時，輪齒會出現(xiàn)打齒、斷裂故障。

　　注： Y_NT為被動齒輪的壽命系數(shù)(該系數(shù)是根據(jù)齒輪的設(shè)計(jì)壽命要求選取的)，當(dāng)齒輪設(shè)計(jì)壽命為循環(huán)次數(shù)≥6ⅹ10⁶時，取 Y_NT=1。(Y_θ為齒輪工作時的溫度系數(shù)，正常工作條件下取Y_θ=1)

　　綜上所述齒輪的材料極限應(yīng)力?_fim和齒根應(yīng)力?_F主要決定齒輪打齒的失效程度。

　　2、運(yùn)用故障樹來分析影響齒輪強(qiáng)度的因素(由于材料的極限應(yīng)力是根據(jù)材料查閱齒輪設(shè)計(jì)手冊來確定的，對于經(jīng)過滲碳、淬火的齒輪鋼材的強(qiáng)度(齒根極限應(yīng)力為?_fim=207MPa)

　　影響齒輪強(qiáng)度的因素：

　　1、對失效件的材料進(jìn)行分析

　　(1)化學(xué)成分

　　故障件化學(xué)成分檢測分析

　　結(jié)論：

　　通過對故障件的材料數(shù)據(jù)及標(biāo)準(zhǔn)要求對比分析，故障件材料化學(xué)成分滿足《GB/T3077-1999》中20CrMnTi的元素要求，因此材料的化學(xué)成分合格。

　　鋼材進(jìn)廠的過程控制方法：每批鋼材到貨后，按鋼材不同的規(guī)格隨機(jī)抽取一爐號委托到鄭州機(jī)械研究所進(jìn)行化學(xué)成分檢測。

　　(2)材料的機(jī)械性能

　　該批鋼材機(jī)械性能分析

　　分析結(jié)果：

　　故障件批次材料的機(jī)械性能(抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長率、斷面收縮率、沖擊吸收功)均滿足GB/T228-2002要求。因此材料的機(jī)械性能也合格。

　　過程控制方法：每批鋼材到貨后，按鋼材不同的規(guī)格隨機(jī)抽取一爐號委托到鄭州機(jī)械研究所進(jìn)行材料機(jī)械性能的檢測。

　　2、對失效件的切齒缺陷進(jìn)行分析

(1)切齒工藝流程

切齒之后的精度檢測

　　由以上檢測報告可以看出，該失效齒輪的精度為8級，齒距誤差、累積誤差均在6級以內(nèi)，齒圈跳動為≤0.05mm。由此可見，齒輪切齒加工工序沒有什么問題。

　　對于汽車后橋弧齒錐齒輪(準(zhǔn)雙曲面弧齒錐齒輪)的加工工藝，一般采用的是光坯在格里森切齒機(jī)上進(jìn)行凸面和凹面一次成型的工藝，熱處理后齒部還需要進(jìn)行配對研磨加工。切齒時易產(chǎn)生的缺陷是齒距誤差過大或周節(jié)誤差過大，安裝距不穩(wěn)定，這樣將造成齒輪的接觸區(qū)不穩(wěn)定。

　　(2)對切齒缺陷進(jìn)行分析

　　為研究切齒方面的變差，運(yùn)用樹圖將產(chǎn)品生產(chǎn)過程中可能存在的切齒缺陷進(jìn)行了分析。

　　同批次齒輪的質(zhì)量進(jìn)行檢測

　　經(jīng)過對故障件和同批次工件的齒距誤差檢測，其檢測結(jié)果如下表：

　　故障件和同批次工件的齒距誤差檢測結(jié)果(均值)

　　為了保證本批被齒安裝的一致性，用SPC《質(zhì)量工具》來分析安裝距的過程能力：

被齒安裝尺寸分析

　　由以上六合圖的數(shù)據(jù)分析可以看出：該被齒的安裝距尺寸的過程能力CPK=1.64>1.33，且呈正態(tài)分布，說明該切齒過程能力受控，可以批量生產(chǎn)。

　　3、對熱處理缺陷進(jìn)行分析

(1)熱處理工藝簡介

　　齒輪經(jīng)過滲碳、淬火、低溫回火處理之后，表面得到較高的耐磨性和高的疲勞強(qiáng)度，增加齒輪的抗沖擊性能;心部得到較高的強(qiáng)度和韌性，這樣齒輪在使用過程中能承受較大的沖擊載荷。低溫回火能有效地消除或降低淬火過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力、組織應(yīng)力和脆性，以免齒輪在使用過程中造成輪齒斷而失效。

　　齒輪在熱處理時易產(chǎn)生的缺陷滲碳層、表面硬度、心部硬度及金相組織不均勻或者達(dá)不到工藝技術(shù)要求，如果工藝調(diào)整或執(zhí)行不當(dāng)，此時還有可能能產(chǎn)生淬火裂紋。

　　(2)為研究熱處理方面的變差，對失效產(chǎn)品進(jìn)行解剖作硬度、金相等熱處理指標(biāo)的分析：

　　硬度及金相檢測結(jié)果

　　由以上檢測結(jié)果表明：各項(xiàng)檢測結(jié)果均在技術(shù)要求范圍內(nèi)，說明該齒輪的熱處理質(zhì)量沒有問題。

　　(3)為驗(yàn)證熱處理工藝可靠性，運(yùn)用《質(zhì)量工具》MSA對產(chǎn)品金相檢測記錄和該產(chǎn)品金相檢測記錄進(jìn)行分析。

　　a.硬度計(jì)MSA

　　維氏硬度計(jì)表面硬度樣本數(shù)據(jù)

　　由以上數(shù)據(jù)可以看出：該測量系統(tǒng)可區(qū)分的類別數(shù)=10，說明該測量系統(tǒng)的分辨率ndc=10>5。說明該測量系統(tǒng)分辨能力充分滿足要求。

　　b、熱處理過程能力(表面硬度)

通過對該故障件表面硬度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，該生產(chǎn)系統(tǒng)過程能力CPK=1.46>1.33，說明生產(chǎn)過程受控。

　　4、對齒輪強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算校核

　　4.1對齒輪的接觸區(qū)進(jìn)行CAE有限元分析

　　通過用CAE軟件對后橋主被動齒輪接觸區(qū)作有限元分析得知：當(dāng)在倒車工況下(齒輪承受扭矩最大時)，主齒最大應(yīng)力發(fā)生在齒根中部偏大端處，被齒最大應(yīng)力發(fā)生在齒頂中部偏大端處，同樣也反映出齒輪的強(qiáng)度不足，存在有斷齒的隱患。

　　4.2斷齒機(jī)理分析

　　工作原理：

　　車輛行駛時，發(fā)動機(jī)通過傳動軸直接將動力傳遞到主動齒輪，主動齒輪與被動齒輪嚙合，通過被齒兩端的半軸將力傳遞到車輪上。

　　失效機(jī)理：

　　如果齒輪在工作時齒根受到的應(yīng)力?_F超過材料本身承受的極限應(yīng)力?_Fim，即?_FimY_NT﹤?_FY_θ時，輪齒會出現(xiàn)斷裂故障。

　　注： Y_NT為被動齒輪的壽命系數(shù)(該系數(shù)是根據(jù)齒輪的設(shè)計(jì)壽命要求選取的)，當(dāng)齒輪設(shè)計(jì)壽命為循環(huán)次數(shù)≥6ⅹ10⁶時，取 Y_NT=1。Y_θ為齒輪工作時的溫度系數(shù)，正常工作條件下取Y_θ=1。

　　結(jié)論：齒輪的材料極限應(yīng)力?_fim、齒根應(yīng)力?_F決定齒輪打齒的失效程度。

　　4.3對齒輪的齒根應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算

　　《齒輪手冊》中，被動齒輪齒根應(yīng)力(Mpa)計(jì)算公式

　　式中系數(shù)：

　　K_A為計(jì)算強(qiáng)度的使用系數(shù)(根據(jù)齒輪的使用工況來選擇)：選K_A=1.25。

　　K_V 為動載系數(shù)(根據(jù)齒輪精度來選擇)： IQ ≤7 級,K_V選1.025

　　K_Fβ為齒向載荷分布系數(shù)(齒輪運(yùn)行中的齒向誤差)，經(jīng)過計(jì)算K_Fβ=1.15。

　　Y_x為尺寸系數(shù)，根據(jù)《齒輪手冊》彎曲強(qiáng)度尺寸系數(shù)表選擇 Y_x=0.666。

　　J₂為齒輪彎曲強(qiáng)度幾何系數(shù)(根據(jù)《齒輪設(shè)計(jì)手冊》中“弧齒準(zhǔn)雙曲面齒輪彎曲強(qiáng)度幾何系數(shù)”J1和J2插值表并依據(jù)齒輪參數(shù)偏置距 (mm) ：E;被齒凸凹面壓力角之和 (Deg) ：α;齒輪精度等級：IQ ;被動齒輪平均壓力αp;被齒大端分度圓直徑Ø等參數(shù)確定為0.259。

　　Z₁為主齒齒數(shù);

　　Z₂ 為被齒齒數(shù)

　　b₂為被齒齒面寬

　　d₂為被齒大端分度圓直徑

　　m_t2為被齒大端端面模數(shù)

　　T為發(fā)動機(jī)功率(N.m)

　　將以上參數(shù)代入以上公式計(jì)算得到齒輪齒根應(yīng)力?_F=216.64MPa，小于該材料的極限應(yīng)力207MPa(由《齒輪傳動手冊》中“試驗(yàn)齒輪齒根彎曲疲勞極限應(yīng)力”查得)。

　　結(jié)論：

　　1、當(dāng)發(fā)動機(jī)功率T1為190N.m時， ?F=178.96Mpa，?F<?Fim=207Mpa

　　2、當(dāng)發(fā)動機(jī)功率T1為230N.m時，?F=216.64Mpa>?Fim=207Mpa，安全系數(shù)SF_min=0.955，即齒輪工作時所受的應(yīng)力大于材料的極限應(yīng)力，從而造成被動齒輪斷齒。

　　分析結(jié)果：

　　通過對故障件原材料、齒形缺陷及熱處理方面分析，均未發(fā)現(xiàn)異常，且產(chǎn)品加工過程受控;通過對該產(chǎn)品的強(qiáng)度計(jì)算得出：當(dāng)汽車發(fā)動機(jī)功率增大到230N.m時，該被動齒輪的齒根應(yīng)力設(shè)計(jì)彎曲強(qiáng)度安全系數(shù)為0.955<1.0(通過查詢《齒輪設(shè)計(jì)手冊》可以知道，對于齒輪設(shè)計(jì)時最低的可靠度要求齒根彎曲強(qiáng)度安全系數(shù)SFmin≥1)。所以決定對齒輪設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，提高齒輪副的安全系數(shù)，從而提升產(chǎn)品的可靠性。

　　三、設(shè)計(jì)優(yōu)化

　　1、設(shè)計(jì)優(yōu)化思路

　　根據(jù)驅(qū)動橋齒輪設(shè)計(jì)的相關(guān)要求，驅(qū)動橋后橋齒輪承受的強(qiáng)度須小于該材料的許用強(qiáng)度，且安全系數(shù)>1.0，由被動齒輪安全系數(shù)的計(jì)算公式

　　S_F =?_FimY_NT/(?_FY_θ)

　　Y_NT為被動齒輪的壽命系數(shù)，該系數(shù)是由齒輪的設(shè)計(jì)壽命決定的，與齒輪本身的制造無關(guān)。

　　Y_θ為齒輪工作時的溫度系數(shù)， 該參數(shù)是由齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中差檢殼中油池的油溫所決定的。

　　?_fim為材料的彎曲極限應(yīng)力，該參數(shù)是由材料和熱處理?xiàng)l件決定的，是經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得來的(見齒輪彎曲極限應(yīng)力表)。

　　?_F為齒輪的計(jì)算齒根彎曲極限應(yīng)力，根據(jù)齒輪和發(fā)動機(jī)的功率等參數(shù)計(jì)算得出的

　　即S_F =?_FimY_NT/(?_FY_θ)=207/?_F>1

　　所以，后橋被動齒輪所承受的齒根彎曲應(yīng)力?_F應(yīng)小于207N.m，才能保證S_F>1。

　　由齒輪強(qiáng)度齒根應(yīng)力計(jì)算公式可以得出要減小齒根應(yīng)力?_F，需要改變齒輪的幾何參數(shù)，因?yàn)榘l(fā)動機(jī)輸出功率和齒輪安裝及使用條件所限，而齒輪的參數(shù)也受到差減殼空間及安裝位置所限，所以對于被動齒輪來說，只有齒形系數(shù)J₂可以改變，而J2 是通過《齒輪彎曲強(qiáng)度幾何系數(shù)線圖》 查詢。該線圖的繪制是根據(jù)齒輪的壓力角ɑ和偏置距及分度圓直徑的比例(E/d2)繪制的，所以J與壓力角ɑ 、偏置距E和分度圓直徑d₂有關(guān)。而E、 d₂受差殼與檢殼的位置所限制，不能改變，只有齒輪的壓力角這個變量可以改變。

通過觀察《齒輪彎曲強(qiáng)度幾何系數(shù)線圖》(如下圖)發(fā)現(xiàn)，對于同樣的主動齒數(shù)(10)，被動齒輪幾何系數(shù) J2隨齒輪壓力角的增大而增大。由此可知，增大齒輪壓力角可以減小齒輪的計(jì)算齒根應(yīng)力?F ，進(jìn)而增大齒輪的彎曲強(qiáng)度。

　　2、壓力角設(shè)計(jì)條件

　　由于齒輪壓力角屬標(biāo)準(zhǔn)壓力角，而壓力角的改變將直接影響著齒輪的制造加工質(zhì)量，根據(jù)《齒輪設(shè)計(jì)手冊》可以知道壓力角能齒輪加工質(zhì)量的影響(如下表)。

　　汽車齒輪壓力角設(shè)計(jì)

　　分析：

　　對于該越野車型，壓力角可以在20-22.5度之間選擇，但是壓力角越大，制造越困難，齒輪的嚙合精度越差，噪聲越高。經(jīng)過綜合考慮，決定采用21?15′的壓力角，同時該壓力角又是標(biāo)準(zhǔn)6"切齒刀的壓力角。選擇6"切齒刀可以實(shí)現(xiàn)減小齒輪的計(jì)算齒根彎曲強(qiáng)度，增大齒輪齒根彎曲強(qiáng)度的安全系數(shù)。

　　3、改進(jìn)—齒輪齒形

　　經(jīng)過對壓力角的設(shè)計(jì)條件分析可以得出，對該越野車形齒輪壓力角進(jìn)行改進(jìn)，平均壓力角由改進(jìn)前的 19?變?yōu)楦倪M(jìn)后的21?15?對于弧齒錐齒輪來說，改變齒形是通過改變切齒刀具來實(shí)現(xiàn)的，由于刀具的改變，該齒輪的工作齒高及中點(diǎn)螺旋角也有相應(yīng)的變化,但不會產(chǎn)生其他影響。

　　切齒刀具改變后，該齒輪的輪齒的工作齒 高由改進(jìn)前的 9.09 變?yōu)楦倪M(jìn)后的8.35;中點(diǎn)螺旋角由改進(jìn)前的 30? 02 變?yōu)楦倪M(jìn)后的 32? 36?。

      4、改進(jìn)后的齒輪強(qiáng)度計(jì)算

　　改進(jìn)結(jié)果：

　　通過對該產(chǎn)品的刀具進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)(切齒刀具由7.5"更改為6")，當(dāng)發(fā)動機(jī)功率由190N•M增大到 230N•M時，該產(chǎn)品主動齒輪安全系數(shù)由改進(jìn)前的1.264增大到了1.4;被齒安全系數(shù)由改進(jìn)前的0.955增大到了1.054，在一定程度上，提升了齒輪的齒根應(yīng)力，降低了斷齒風(fēng)險。

　　四、對改進(jìn)后的齒輪裝配嚙合質(zhì)量進(jìn)行驗(yàn)證

　　1、齒輪嚙合質(zhì)量

　　將齒輪模擬行駛情況裝在齒輪滾動檢查機(jī)上檢測齒輪嚙合干涉驗(yàn)證，通過在齒輪滾動檢查機(jī)上模擬實(shí)際裝配情況對齒輪的嚙合接觸質(zhì)量進(jìn)行驗(yàn)證，產(chǎn)品轉(zhuǎn)動靈活且無干涉，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。

　　2、對改進(jìn)后的齒輪接觸區(qū)進(jìn)行分析

　　通過檢測，齒輪接觸區(qū)的位置如下：

　　接觸區(qū)域在齒中部偏小端長度約占齒長的50%，寬度約占整個齒高的80%.齒頂、齒根均能脫開0.5mm左右，且未參與嚙合，因此該部位不會發(fā)生磨損、變形等，滿足齒輪技術(shù)要求。

　　3、齒輪的幾何尺寸

　　通過對改進(jìn)后的主被動齒輪進(jìn)行全尺寸檢驗(yàn)，改進(jìn)后的主被動齒輪幾何尺寸全部能控制在技術(shù)要求范圍之內(nèi)， 檢測結(jié)果均合格。

　　4、對改進(jìn)后的齒輪副作臺架疲勞試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證

　　依據(jù)QC/T 533—1999汽車臺架試驗(yàn)方法，按發(fā)動機(jī)最大扭矩計(jì)算與按最大附著力計(jì)算，取兩者中較小的一個。

　　1、按發(fā)動機(jī)最大扭矩計(jì)算，通過分動器以傳動系最低檔傳動時作用于后橋齒輪上轉(zhuǎn)矩(Nm) 為：Tse=Tmax*iTL/*Ko*?T/n=3781.02 N•M

　　2、按最大附著力計(jì)算，驅(qū)動車輪打滑時作用于主動齒輪上的轉(zhuǎn)矩(Nm)為：Tss=G1*Ø*rr/iLB/?LB=4378.48 N •M

　　目標(biāo)：依據(jù)QC/T 534-1999汽車驅(qū)動橋臺架試驗(yàn)評價指標(biāo)要求，臺架疲勞壽命≥5ⅹ10?。

檢測報告如下：

　　結(jié)果：

　　經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后的齒輪疲勞壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求。

　　五、依據(jù)IATF16949標(biāo)準(zhǔn)要求對改進(jìn)后的齒輪進(jìn)行風(fēng)險分析

　　1、失效風(fēng)險評估

　　改進(jìn)前：根據(jù)打齒時間為2013年，全年共裝齒輪15248套，失效5套。經(jīng)過臺架疲勞試驗(yàn)壽命為12.78萬次，按13萬次計(jì)算，失效概率為PPM=327.9;

　　改進(jìn)后：臺架疲勞試驗(yàn)壽命為75.1萬次，按75萬次計(jì)，失效概率為PPM=56.8。

　　2、安全系數(shù)規(guī)定

　　如果供需雙方?jīng)]有規(guī)定，將按國家標(biāo)準(zhǔn)QC/T 534-1999汽車驅(qū)動橋臺架試驗(yàn)評價指標(biāo)執(zhí)行，如果對可靠度有要求的，一般彎曲強(qiáng)度安全系數(shù)要達(dá)到1.3以上，由本項(xiàng)目分析可知，需要減小齒根應(yīng)力?_F

　　由以上計(jì)算公式看出，如果增大齒輪的設(shè)計(jì)參數(shù)b₂、d₂、mt₂、J₂、Z₁或者減小T₁、Z₂，可以減小?_F，增大安全系數(shù)_SF。

　　方法①：增大b₂、d₂、m_t2，車橋的橋殼就需要加大，如果改變Z₁和Z₂，則汽車的設(shè)計(jì)時速就與顯示的不一致。如果汽車的時速及底盤設(shè)計(jì)不改變，T₁、b₂、d₂、m_t2、Z₁、Z₂是不能改變的。

　　方法②：增大壓力角

　　所以只有通過增大J₂來保證S_F，也就是說要增大ɑ和E/d,要增大E/d同樣也會改變差檢殼的位和大小。只有通過增大ɑ來減小?_F，增大SF。對于風(fēng)駿皮卡車型的齒輪壓力角ɑ只能選擇20-22.5度之間，但是隨著壓力角的增大，齒輪嚙合的重合度降低，重疊系數(shù)減小，齒輪的加工困難是增大的;齒輪接觸精度也隨著壓力角的增大而降低的;齒輪裝在車橋之后，運(yùn)轉(zhuǎn)的噪聲也由于重合度低而變高，還有可能出現(xiàn)異響。

　　考慮到加工及齒輪的接觸質(zhì)量、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性等指標(biāo)，本項(xiàng)目中決定選擇壓力角為21?15′，已再無提升空間。

　　要繼續(xù)提升產(chǎn)品可靠性質(zhì)量，將PPM降低到0，就需要從橋殼、齒輪等產(chǎn)品進(jìn)行系統(tǒng)改進(jìn)。

　　結(jié)束語:

　　對于齒輪失效的質(zhì)量問題，要從根本原因上去查找。首先對問題進(jìn)行“項(xiàng)目界定”，之后再對界定的項(xiàng)目進(jìn)行“項(xiàng)目測量”，查找出問題之后再從失效機(jī)理開始分析對產(chǎn)品的功能分析之后進(jìn)行“設(shè)計(jì)優(yōu)化”，整個分析完成之后要對設(shè)計(jì)優(yōu)化后的產(chǎn)品進(jìn)行“設(shè)計(jì)驗(yàn)證”，如果可行，還要對改進(jìn)后的產(chǎn)品進(jìn)行“風(fēng)險分析”。

　　為了使改進(jìn)后的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，還要對問題分析改進(jìn)的措施形成文件，并將這些問題寫進(jìn)DFMEA或PFMEA中進(jìn)行控制，以得到持續(xù)改進(jìn)的目的，在日常生產(chǎn)工作中，只有《質(zhì)量工具》得到了良好的應(yīng)用，及時修改CP、DFMEA、PFMEA等動態(tài)文件，生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量才能穩(wěn)定。