睢利銘，周 鵬

（1.河南機電高等?？茖W校，河南 新鄉(xiāng)453002；2.中航工業(yè)新航豫北轉(zhuǎn)向系統(tǒng)股份有限公司，河南 新鄉(xiāng)453000）

齒輪齒條式動力轉(zhuǎn)向器在轎車、皮卡、SUV等車型中應(yīng)用廣泛，屬于轉(zhuǎn)向器中的一種液壓轉(zhuǎn)向器。對于此類液壓助力的轉(zhuǎn)向器,齒輪是轉(zhuǎn)向器中的關(guān)鍵零部件之一,在整個轉(zhuǎn)向器中起到傳遞力矩，將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動的作用。

某款車型齒輪齒條式動力轉(zhuǎn)向器的齒輪由42CrMo材料加工，加工后后進行高頻淬火并回火，保證齒部及齒面硬度符合使用要求。該零部件配套車型在行駛3770km時，齒輪發(fā)生斷裂，屬早期斷裂現(xiàn)象。為查清事故原因，防止類似事故發(fā)生，對斷裂件進行失效分析。

1 殼體斷裂分析

（1）化學成分分析。通過光譜儀檢測，對斷裂件斷口部位化學成分進行分析，結(jié)果如表1所示。

表1 化學成分（%）

經(jīng)檢測符合成分要求。

（2）宏觀觀察斷口。從斷口情況可以看出，齒輪受到較大彎曲內(nèi)應(yīng)力，在反復交變力作用下應(yīng)力釋放產(chǎn)生疲勞斷裂，如圖1所示。

圖1 斷口形貌

（3）硬度檢測。使用硬度計對齒輪齒部表面硬度和心部表面硬度進行檢測，表面硬度614.5HV（要求600～720HV），心部硬度249.2HV（要求230～260HV），淬硬層深度為2.9mm、3.0mm（要求1～3.5mm），均符合技術(shù)文件要求。

（4）機械性能檢測。分別在斷裂齒輪的心部和表層取樣，在試驗機上進行拉伸試驗，結(jié)果如表2所示，可以看出，齒輪的抗拉強度符合標準要求。

表2 抗拉強度對比

（5）金相檢測。金相是指金屬或合金材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，即金屬或合金的化學成分以及各種成分在合金內(nèi)部的物理狀態(tài)和化學狀態(tài)。金相組織是反映金屬金相的具體形態(tài)，如馬氏體，奧氏體，鐵素體，珠光體等，金屬材料的顯微組織直接影響到機械零件的性能和使用壽命，金相分析是控制機械零件內(nèi)在質(zhì)量的一種重要手段。

斷口試樣在400×電子顯微鏡下觀察，組織平衡，屬于正常組織，如圖2所示。

圖2 索氏體2級

（6）CAE分析。模擬齒輪齒條動力轉(zhuǎn)向器實況工作極限要求，結(jié)合國內(nèi)行業(yè)標準對齒輪齒條動力轉(zhuǎn)向器的要求（輸入軸施加300Nm負荷時殼體不準有損壞)。選擇齒輪齒條動力轉(zhuǎn)向器整體分析組件（包括齒輪、齒條組件、軸承）進行分析[2]。

模擬總成沖擊過程,在齒輪上施加約束及載荷.對齒輪兩軸承面約束,限制齒輪限位扁,在齒面上施加法向力,因總成重合度為2,近似在兩齒面上施加法向力。

由圖3可以看出,在施加11243N極限法向力后,齒輪最大應(yīng)力(紅色max標記)出現(xiàn)在齒與縮頸連接處,最大應(yīng)力932MPa(材料屈服強度),達到臨界屈服狀態(tài).從圖中還可看出,其應(yīng)力梯度分布不均勻。

圖3 改進前臨界屈服狀態(tài)

2 分析和討論

（1）檢查材料成分、硬度、機械性能、金相組織合格，未發(fā)現(xiàn)異常。

（2）從斷口情況可以看出，齒輪受到較大彎曲內(nèi)應(yīng)力，在反復交變力作用下應(yīng)力釋放產(chǎn)生疲勞斷裂。

（3）從CAE分析結(jié)果上來看，齒輪設(shè)計強度較低，受力薄弱環(huán)節(jié)和斷裂零部件位置相吻合。

3 改進設(shè)計

改進后的模型圖如圖4所示.縮頸部位直徑由13mm提升到15mm,考慮到齒形加工過程中退刀，對過渡部位進行大圓角過渡。

由圖4可以看出,在施加15178N極限法向力后,改進后的齒輪最大應(yīng)力(紅色max標記)出現(xiàn)在齒與縮頸連接處,最大應(yīng)力932MPa(材料屈服強度),達到臨界屈服狀態(tài)。

圖4 改進后臨界屈服狀態(tài)

對比分析結(jié)果進行統(tǒng)計，如表3所示：

表3 對比分析結(jié)果

發(fā)現(xiàn)改進后的齒輪強度有較大提高。

4 結(jié)語

通過對斷裂齒輪的材料成分、、硬度、機械性能、金相組織、強度進行分析，查出了發(fā)生斷裂的原因，并通過增加該款齒輪齒條動力轉(zhuǎn)向器齒輪薄弱環(huán)節(jié)的直徑，提高齒輪強度，解決斷裂問題，在后續(xù)的一年產(chǎn)品使用過程中未出現(xiàn)斷裂事故，進一步證明了此次改進的有效性。

[1]王昆林.材料工程基礎(chǔ)(第2版)[M].北京：清華大學出版社，2009.

[2]李兵，何正嘉，陳雪峰.ANSYSWorkbench設(shè)計、仿真與優(yōu)化[M].北京：清華大學出版社，2010.