張海俠，關(guān)崴，姚書濤，周章遐，王君

（哈爾濱東安汽車發(fā)動機(jī)制造有限公司技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

自動變速器輸出軸斷齒故障分析

張海俠，關(guān)崴，姚書濤，周章遐，王君

（哈爾濱東安汽車發(fā)動機(jī)制造有限公司技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

文章通過研究自動變速器輸出軸斷齒的故障機(jī)理和故障工況，并通過試驗(yàn)手段在試驗(yàn)室環(huán)境下再現(xiàn)了輸出軸斷齒故障，根據(jù)對輸出軸故障發(fā)生的機(jī)理制定了輸出軸材料選擇和管控的優(yōu)化措施和方向。為輸出軸的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供借鑒和參考。

輸出軸；曲線圖；金相組織；機(jī)械性能

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.12.066

CLC NO.: U463.212 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)12-192-03

引言

在自動變速箱中輸出軸作為四點(diǎn)齒輪之一實(shí)現(xiàn)二級減速和增扭，齒輪通過齒面接觸而傳遞動力，齒面周期地承受很大的接觸壓力，常因齒面接觸疲勞破壞而失效。其破壞形式為麻點(diǎn)剝落或硬化層剝落。齒輪的齒根處承受很大的彎曲應(yīng)力。在彎曲應(yīng)力的反復(fù)作用下，會產(chǎn)生彎曲疲勞破壞，發(fā)生斷齒。此處，機(jī)器在啟動、急剎車或換擋時(shí)，齒輪還會受到?jīng)_擊載荷或短時(shí)間過載的作用，而使齒部折斷，這種破壞形式危害最大。齒輪在工作時(shí)，兩個(gè)齒面在嚙合時(shí)還有相對運(yùn)動（包括滑動和滾動）而產(chǎn)生摩擦，使齒面磨損。

齒輪在高速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，如接觸應(yīng)力過大，齒面滑動速度過高，由主動與被動齒輪間摩擦而產(chǎn)生高溫，破壞油膜的形式，使兩個(gè)齒面的金屬直接接觸，導(dǎo)致兩摩擦面的瞬時(shí)焊合，在隨后的運(yùn)轉(zhuǎn)中，焊合的金屬又被撕斷，造成齒面刮傷，這是膠合磨損。綜上所述，齒輪在工作時(shí)的主要失效形式有：齒根折斷、彎曲疲勞、接觸疲勞與磨損。

1、故障現(xiàn)象

輸出軸在做耐久試驗(yàn)時(shí)，運(yùn)行到273循環(huán)，step2第二次全油門升速過程中，發(fā)動機(jī)突然出現(xiàn)跑飛聲音，既而聽到“咔蹦”的斷裂聲，臺架隨即因負(fù)扭矩超限報(bào)警，停機(jī)，從出現(xiàn)異響到停機(jī)持續(xù)時(shí)間約15秒左右，進(jìn)試驗(yàn)間檢查發(fā)現(xiàn)，變速器殼體在輸出軸位置附近出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。故障導(dǎo)致?lián)p壞情況如下：

（1）變速器殼體裂紋損壞；

（2）輸出軸上主減主動齒輪、差速器上主減從動齒輪出現(xiàn)掉齒、齒面剝 落等嚴(yán)重?fù)p壞；

（3）輸出軸兩端軸承損壞，軸承滾子全部掉落；

（4）輸出軸軸承保持架出現(xiàn)裂紋；

（5）駐車棘爪前端爪齒斷落損壞；

（6）單向離合器損壞；

（7）LR壓力板燒蝕變形。

圖1 四點(diǎn)齒輪結(jié)構(gòu)簡圖

2、故障分析

2.1 試驗(yàn)過程曲線圖分析

圖2 故障位置試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線圖

圖3 故障位置正常試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線圖

圖4 故障位置MMT01監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)曲線圖

（1）圖2 1標(biāo)線----2標(biāo)線區(qū)間

從圖2和圖3的對比來看，故障發(fā)生在圖2的2標(biāo)線位置，在此之前變速器工作正常。

（2）圖2 2標(biāo)線----4標(biāo)線區(qū)間

在2標(biāo)線和3標(biāo)線之間，半軸扭矩出現(xiàn)大幅波動，推測此時(shí)變速器主減齒輪副已經(jīng)出現(xiàn)掉齒問題，掉齒卡在齒輪之間對輸入輸出側(cè)均產(chǎn)生較大沖擊載荷，導(dǎo)致單向離合器損壞。從圖2 3標(biāo)線位置開始由于單向離合器損壞導(dǎo)致1檔位在檔狀態(tài)不正常，發(fā)動機(jī)3標(biāo)線和4標(biāo)線之間出現(xiàn)過瞬間的半軸轉(zhuǎn)速下降，半軸扭矩瞬間達(dá)到-1800N.m左右，推測這是由于駐車棘爪突然卡入駐車齒輪并在沖擊載荷作用下折斷損壞。

在此區(qū)間，TCU軟件系統(tǒng)通過判斷渦輪轉(zhuǎn)速傳感器（PGA）和輸出軸轉(zhuǎn)速傳感器（PGB）信號同步性異常，從而控制變速器進(jìn)入故障模式下的3檔；

（3）圖4 5標(biāo)線----6標(biāo)線區(qū)間

從5標(biāo)線位置開始，發(fā)動機(jī)油門開度仍然保持全開，變速器進(jìn)入3檔，由于檔位狀態(tài)正常，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、渦輪轉(zhuǎn)速均被拉了下來，輸出軸轉(zhuǎn)速有一個(gè)明顯上升過程，而且此時(shí)變速器速比關(guān)系也正常，但只經(jīng)過0.2S左右輸出軸轉(zhuǎn)速和渦輪轉(zhuǎn)速就下降了，推測此時(shí)輸出軸軸承已經(jīng)出現(xiàn)卡滯問題，對渦輪側(cè)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生阻礙作用，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速無法上升，而動力又無法正常向半軸端傳輸，導(dǎo)致半軸轉(zhuǎn)速上升緩慢。

在達(dá)到5標(biāo)線之前輸出軸轉(zhuǎn)速傳感器（PGB）信號無明顯異常，剛達(dá)到5標(biāo)線時(shí)也基本正常，隨后可能受到輸出軸齒輪撞擊出現(xiàn)損壞，測量信號出現(xiàn)異常。

（4）圖2、圖4 6標(biāo)線以后

到6標(biāo)線位置，在發(fā)動機(jī)油門全開狀態(tài)下，半軸扭矩接近零，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速再次飛升，推測軸承保持架斷裂，軸承失效，輸出軸傳扭功能徹底失效。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析為輸出軸導(dǎo)致本次故障的發(fā)生。

2.2 宏觀分析

宏觀觀察斷口為典型的疲勞斷口，疲勞源如圖5、圖6所示白色箭頭所指位置，表現(xiàn)為多源疲勞特征。其中紅色區(qū)域疲勞斷口存在快速斷裂特征。

圖5

圖6

2.3 金相分析

斷齒的軸殘留齒面已遭到嚴(yán)重破壞，因此，從庫存中抽取一根同爐生產(chǎn)的軸進(jìn)行金相檢驗(yàn)和齒面磨削燒傷檢驗(yàn)，結(jié)果見表1和圖7 、8、9、10。其中滲碳層金相檢測部位是磨齒與非磨齒交界處表面（疲勞源區(qū)位置）；圖2.9是失效件桿部取樣重新等溫正火后帶狀組織（合金元素及碳偏析）檢查情況。

表1 斷齒軸和同爐庫存完好軸對比檢查

（1）從斷口觀察分析該軸齒斷裂為典型的彎曲疲勞斷裂，疲勞源發(fā)生在三個(gè)區(qū)域，圖5、圖6所示為其中2個(gè)區(qū)域，疲勞源基本在齒寬中部，另一個(gè)區(qū)域疲勞源發(fā)生在齒寬方向靠近端部。齒高方向上看疲勞源產(chǎn)生在磨齒區(qū)與齒根交界處。瞬斷區(qū)所占面積很小，說明齒部工作彎曲應(yīng)力不高，沒有過載現(xiàn)象。

（2）從100×組織中（圖7、圖9）觀察到材料合金元素偏析較為嚴(yán)重，明亮帶對應(yīng)的滲層中殘奧約為48%，嚴(yán)重超標(biāo)；偏析處局部滲碳淬火后馬氏體針粗大并形成了晶間微裂紋，見圖10白色橢圓區(qū)域所示。由于微裂紋的存在大大降低了彎曲疲勞強(qiáng)度，可能是造成斷齒的主要原因之一。

圖7 材料成分偏析嚴(yán)重（白色條帶）100×

圖8 殘奧嚴(yán)重 500×

圖9 原材料成分偏析引起的帶狀偏析組織100×

圖10 成分偏析造成淬火局部殘奧嚴(yán)重超標(biāo)并伴隨淬火微裂紋 500×

（3）該軸齒成分偏析造成滲碳淬火后局部殘奧嚴(yán)重超標(biāo)大大降低了局部的疲勞強(qiáng)度；嚴(yán)重的淬火時(shí)直接產(chǎn)生晶間開裂，見圖10。齒輪服役時(shí)在這些局部區(qū)域首先產(chǎn)生疲勞裂紋或者晶間裂紋迅速發(fā)展成為疲勞裂紋。由于成分偏析的隨機(jī)性與多源疲勞正好相呼應(yīng)，也即當(dāng)成分偏析正好處于齒根轉(zhuǎn)角附近時(shí)形成疲勞裂紋的概率大大增加。

（4）滲碳淬火回火后表面硬度740HV1以上，對于輪齒發(fā)生早期彎曲疲勞也會起到促進(jìn)作用。

3、結(jié)果與討論

3.1 輸出軸斷齒故障的原因

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析此次故障為變速器主減齒輪副先出現(xiàn)掉齒問題，掉齒卡在齒輪之間對輸入輸出側(cè)均產(chǎn)生較大沖擊載荷，進(jìn)而導(dǎo)致其它相關(guān)零件被破壞。該軸齒斷裂為疲勞斷裂，疲勞源位置較多，通過金相分析該軸齒斷裂與材料的成分偏析有直接對應(yīng)關(guān)系。并且在成分偏析處發(fā)現(xiàn)了晶間微裂紋，由此可以斷定該軸的齒部早期疲勞斷裂主要是由于材料成分偏析嚴(yán)重引起。

3.2 預(yù)防輸出軸斷齒故障的措施

對制作零件廠家選用的鋼廠不可以隨意更換，如若更換必須對材料進(jìn)行金相分析，同時(shí)對新材料制作的零件要重新進(jìn)行耐久考核。

[1] 朱東華等,機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ).哈爾濱工業(yè)大學(xué).機(jī)械工業(yè)出版社.

Automatic transmission output shaft gearfracture failure analysis

Zhang Haixia, Guan Wei, Yao Shutao, Zhou Zhangxia, Wang Jun
（Center of Technology, Harbin DongAn Automotive Engine Manufacturing Co., Heilongjiang Harbin 150060）

In this article, through the automatic transmission output shaft gearfracture failure mechanism and failure mode of failureAnd through tests in laboratory environment recreates the output shaft gearfracture failure, According to the mechanism of output failure made the choose of output shaft material and control optimization measures and direction. To provide reference for the design of the output shaft optimization.

output shaft; curve chart; metallographic structure; mechanical capacity

U463.212

A

1671-7988 (2016)12-192-03

張海俠（1980-），女，工程師，就職于哈爾濱東安汽車發(fā)動機(jī)制造有限公司技術(shù)中心，研究自動變速器齒輪方面。