某变速箱齿轮断齿失效分析
作者：高东海丨南京依维柯汽车有限公司
在某轻型商用车用6 挡变速箱国产化开发过程中，变速箱样机在台架上满负载进行“齿轮耐久疲劳寿命”试验验证，试验过程中，3 挡出现了异响。将试验停止，拆解变速箱观察齿轮磨损情况，发现3挡主动齿轮的两个轮齿断裂，如图1所示。按照台架试验技术规范，3 挡齿轮副须满载运行273 h，实际运行仅163 h 就发生了断齿，使用寿命仅为设计要求的59.7%。为了保证整车的开发进度，亟需分析查找轮齿断裂的原因并采取相关对策。
图1 断齿齿轮外观
Fig.1 Appearance of broken gear
试验变速箱齿轮原材料为20MnCr5 钢，采用渗碳+淬火+低温回火热处理工艺，精度等级为DIN 7级。设计要求轮齿表面硬度59～63 HRC，有效硬化层深度（界限硬度为610 HV）0.4～0.7 mm，半齿宽齿根芯部硬度35～42 HRC。
观察3挡主动齿轮，其断裂的轮齿齿面有明显的啮合不均匀现象，尤其是齿根部有较严重的干涉摩擦损伤，而与其啮合的3挡被动齿轮靠齿顶部位则呈严重的摩擦损伤，如图2所示。断口从干涉严重的一端齿根处向另一端迅速扩展至断，呈放射状形貌，断面未见有宏观冶金缺陷，如图3 所示。3 挡主动齿轮内孔孔口两端面有严重的摩擦损伤，内孔壁有一道纵向裂纹，与其相邻的6 挡主动齿轮、3 挡、4 挡同步器齿毂相应端面亦有摩擦损伤，如图4所示。
图2 3挡齿轮副齿顶齿根摩擦损伤形态
Fig.2 Friction damage pattern of the top and root of 3rd gear pair
图3 断齿的断口形貌
Fig.3 Fracture morphology of broken teeth
图4 3挡主动齿轮和与其相邻的6挡齿轮、同步器齿毂的端面磨损形貌
Fig.4 Surface wear morphology of the 3rd driving gear and its adjacent 6th gear and synchronizer hub
热处理对齿轮的承载能力和使用寿命有很大影响，渗碳后表面含碳量提高，以保证淬火后得到高的硬度，提高耐磨性和接触疲劳强度，合适的芯部硬度以保证轮齿有足够的强度和韧性[1]1571-1576。从3挡主动齿轮和被动齿轮上取样磨制抛光，在维氏硬度计上检测试样硬度。在半齿高距表面0.1 mm 处测定表面硬度，在轮齿中心线与齿根圆相交区域测定芯部硬度，如图5所示，并采用维氏硬度法判定渗碳层的深度，结果如表1所示。
检测结果表明，3挡主动齿轮的齿面硬度和芯部硬度均符合技术要求，但其渗碳淬回火后硬化层深度稍深，超出技术要求0.05 mm。渗碳硬化层深度一般是根据齿面接触应力的大小来确定，以提高表面强度，确保齿面抗磨损，并使其具有足够的支承能力，但渗碳硬化层过深，会减少齿中心的韧性区域，增加齿的脆性[1]1571-1576。3挡主动齿轮齿部硬化层深度超出了设计要求0.05 mm，对降低齿中心韧性和增加齿的脆性影响有限。因此，造成轮齿断裂的主要因素待进一步分析排查。
图5 齿轮硬度检测位置
Fig.5 Test position of gear hardness
金属的成分组成是决定材料性能的主要因素，通过对金属材料的成分进行分析，可以对产品质量进行监控，对于出现问题的产品进行原因分析[9]。在失效齿轮上取样，采用电感耦合等离子体发射光谱法进行成分分析，结果如表2 所示，化学成分均在EN 10084-2008标准[10]范围内。
表1 3挡主动齿轮硬度和硬化层深检测结果
Tab.1 Test results of hardness and hardening layer depth of 3rd driving gear
表2 失效齿轮材料20MnCr5成分分析
Tab.2 20MnCr5 composition analysis of failed gear
钢中非金属夹杂物主要来自钢的冶炼和浇注过程，以机械混合物形式存在于钢中，其含量一般都很少，但夹杂物破坏了基体的均匀连续性，造成应力集中，其所在之处往往成为疲劳裂纹的发源地。钢中非金属夹杂物的金相检验，对钢材的冶金质量评价及机械零件的失效具有十分重要的意义。按GB∕T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》检查和A 法评定，3 挡主动齿轮 A 类和 D 类夹杂物均为 1 级，3 挡被动齿轮 A 类夹杂物为2级、D类为1级。
3 挡主动齿轮断齿齿根、内孔孔口两侧端面和3挡被动齿轮的齿顶有较严重的摩擦损伤。除此之外，3挡主动齿轮其余部位表面磨损正常。
在3挡主动齿轮未摩擦损伤的部位取样，进行金相检测，齿面渗碳层组织为细针状回火马氏体+少量颗粒状碳化物和残余奥氏体，如图6（a）所示，按JB∕T 6141.3—1992《重载齿轮 渗碳金相检验》评定，马氏体为2 级，残余奥氏体为1～2 级，碳化物为1级；轮齿中芯线与齿根圆相交区域的芯部组织为低碳马氏体，如图6（b）所示。说明齿轮热处理后的组织为细密的正常回火组织，热处理工艺符合设计要求。
图6 3挡主动齿轮未摩擦损伤处的金相组织
Fig.6 Metallographic structure of 3rd driving gear without friction damage
从3挡主动齿轮的断齿齿根摩擦损伤部位取样检查显微组织，如图7所示，可看到断裂轮齿齿根的摩擦损伤处不仅有高温回火烧伤组织，还有少量的淬火马氏体组织。回火烧伤区较深，且产生了组织变形。
图7 3挡主动齿轮齿根啮合损伤处的金相组织
Fig.7 Metallographic structure of root meshing damage of 3rd driving gear
除了直接参与啮合传动的断齿齿根和3挡被动齿轮齿顶部位有摩擦损伤外，不参与啮合传动的部位（如3挡主动齿轮内孔孔口两侧端面）亦有严重的摩擦损伤，与此两端面分别接触的6 挡齿轮、3 挡、4 挡同步器齿毂相应端面亦有摩擦损伤，如图4 所示。3挡主动齿轮含接合齿圈一侧的端面和同步器齿毂端面的局部呈高温氧化色，同步器齿毂端面上摩擦产生的凹槽深达0.6 mm。6 挡齿轮的端面亦摩擦呈凹槽形态，而3挡主动齿轮与6挡齿轮相接触的摩擦损伤面，不仅局部有高温氧化色，而且有若干道裂纹，如图8所示。其中，位于“1#断齿”齿槽根部的“端面裂纹1#”较大且长（图8（a）），该道裂纹已扩展贯穿于整个内孔孔壁。在该裂纹对面沿轴向将3挡主动齿轮进行线切割，端面与孔内壁贯穿的此道裂纹即完全可见，其断面如图9所示。该裂纹打开后，其断裂面较平整，未见有宏观冶金缺陷，裂纹源起始于摩擦端面，呈放射状向内部扩展，靠近摩擦端面的断齿面有高温氧化色，说明此裂纹是由于摩擦所致。
图8 3挡主动齿轮朝向6挡齿轮一侧的端面裂纹
Fig.8 Crack on the end face of the 3rd driving gear towards the 6th gear
表面运动摩擦时，会使摩擦副间的温度升高，甚至使接触材料发生相变，形成摩擦马氏体，使摩擦面发生热裂和高温氧化，其特征为径向裂纹，一般称之为摩擦开裂。从图8（b）所示的3挡主动齿轮端面裂纹处取样磨抛后浸蚀观察，摩擦面有较厚的淬火马氏体，如图10 所示，裂纹从白色的淬火马氏体区开始垂直表面扩展，以后趋向和表面平行的方向扩展，说明裂纹是由于表面摩擦过程中形成。
图9 3挡主动齿轮端面裂纹1#已扩展至整个内孔壁
Fig.9 End face crack 1#has extended to entire inner wall of 3rd driving gear
图10 3挡主动齿轮端摩擦面（靠6挡侧）的摩擦烧伤组织和裂纹扩展形貌（40倍）
Fig.10 The friction burn structure and crack growth morphology of 3rd driving gear′end surface（near 6th gear side）（40 times）
3挡主动齿轮的断齿齿根、被动齿轮的齿顶均有较严重的摩擦损伤，说明二者在啮合过程中产生了较严重的干涉；3挡主动齿轮端面严重的摩擦磨损以及形成的裂纹，会不会影响齿轮的啮合而致使断齿，需结合3 挡齿轮的工作过程进一步分析。3 挡主动齿轮为右旋斜齿轮，负载啮合传动时，其齿宽方向上邻近6挡齿轮的一端先进入啮合，之后齿面啮合区域逐渐向接合齿圈的一端转移，作用于齿面上的切向力和轴向力亦向接合齿圈一端转移。其与6挡齿轮相邻的端面由于摩擦而产生了若干道烧伤裂纹，而其中的“端面裂纹1#”恰好处于“1#轮齿”齿根部的齿槽处（图8（a））。在3 挡齿轮副运转过程中，“1#轮齿”每参与一次啮合，即承受一次脉冲循环变应力，其对应的齿槽根部“裂纹1#”亦即受到一次脉冲循环变应力作用。在应力作用下，裂纹会渐渐扩展。从断齿的3挡主动齿轮实物看，其端面上的“裂纹1#”沿齿轮轴向向轮毂纵深扩展，最终轮毂内壁整个宽度范围都出现了裂缝，如图9所示。孔口端面上的“裂纹1#”为轮毂裂缝产生的疲劳裂纹源。
由于齿轮轮毂上出现了裂缝，当裂缝处对应的轮齿参与啮合时，在载荷作用下，轮毂上的裂缝将会加大，致使啮合瞬时啮合线上的主动齿轮节距变大，不再等于3挡从动齿轮的节距，而不能满足正确啮合条件，最终齿顶和齿根运动干涉而产生了烧伤。轮毂上的裂缝不仅破坏了正确的啮合节距，而且因其与“1#轮齿”齿根部相交，亦严重影响了“1#轮齿”的弯曲疲劳强度。3 挡齿轮副运转到一定时间，轮毂裂缝处的“1#轮齿”疲劳断裂。该齿断裂后，其相邻的前一个齿进入啮合时，因“1#轮齿”已断裂致使啮合重合度降低，本应由两对轮齿承受的载荷而全部由正在啮合的主动轮上“2#轮齿”和从动轮上相应某个轮齿承受，“2#轮齿”过载而产生断裂。由于对试验过程监控实时，在两个轮齿断裂后及时中止了台架运转，避免了啮合不连贯产生冲击而引起其他轮齿断裂的风险。
结合齿轮啮合工作过程，3挡主动齿轮孔口端面烧伤出现的“裂纹1#”进而扩展为轮毂上的裂缝是产生啮合干涉并影响轮齿弯曲强度最终致使轮齿断裂的直接原因。
3 挡齿轮的左侧为与中间轴轴颈过盈配合的6 挡主动齿轮，右侧为通过花键与中间轴配合的3 挡、4挡同步器齿毂。3 挡主动齿轮两端面分别和6 挡齿轮端面与同步器齿毂端面相接触，设计时留有0.45±0.15 mm 轴向间隙，如图11 所示。当3 挡齿轮负载工作时，3 挡、4 挡同步器齿套通过结合齿圈将3 挡齿轮与中间轴连接为一体，3挡齿轮与中间轴及其两侧的6挡齿轮和同步器齿毂一起旋转运动，彼此之间并无相对运动。当其他挡位齿轮工作时，输出轴上的3 挡从动齿轮驱动3 挡主动齿轮在中间轴上空转，设计时所留的0.45±0.15 mm 轴向间隙可保证3 挡齿轮自由转动。且3 挡主动齿轮两侧的6 挡主动齿轮、同步器齿毂的相应端面均开设有润滑油槽，两个端面运动副运转时有润滑油存在，3挡主动齿轮内孔孔口两端面不应产生摩擦磨损，而故障实物却出现了严重的端面烧伤。为此，对断齿的中间轴组件进行分步骤拆解，测量实物尺寸并查找分析端面烧伤产生的原因。
图11 中间轴组件装配尺寸链
Fig.11 Assembly dimension chain of layshaft assembly
使用三爪拉马将与中间轴过盈配合的常啮合齿轮、6 挡主动齿轮依次从中间轴上拉下来，再将3 挡主动齿轮和滚针轴承拿下来，剩余的零部件暂不拆解。当与3挡主动齿轮关联的各零件轴向尺寸为理论尺寸及装配关系正确时，装配后所形成的封闭环0.45±0.15 mm 为其轴向间隙，其中，3 挡齿轮孔口两端面距离、6挡齿轮孔口端面至其内孔口定位台阶的距离为尺寸链中的减环，中间轴上定位6挡齿轮的台阶面至同步器齿毂端面的距离为增环。分别测量这3个尺寸，结果见表3。
表3 3挡齿轮轴向间隙装配尺寸链测量结果
Tab.3 Measurement results of assembly dimension chain of 3rd gear′s axial clearance
测量结果表明，作为增环的中间轴上定位6挡齿轮的台阶面至同步器齿毂端面的距离较设计理论值偏小了0.84～1.04 mm，导致作为封闭环的0.45±0.15 mm 轴向间隙已完全消除，甚至产生了轴向尺寸过盈。3 挡主动齿轮不仅没有了自由回转的间隙，而且产生了轴向过盈。
进一步检测同步器另一侧4挡主动齿轮的轴向尺寸和位置。为了故障实物的轴向关系不被拆解破坏，采用线切割方式将同步器齿毂和4挡齿轮沿轴向切去一部分，露出其轴向剖面，如图12 所示。装配过程中同步器齿毂下端面应与中间轴上的定位台阶面完全贴合，而故障实物却有较大的间隙，使用塞尺测量，间隙值为0.95 mm。测量4挡齿轮与同步器齿毂下端面的间隙值为1.45 mm，而理论间隙应为0.3～0.45 mm，说明3 挡、4 挡同步器齿毂的轴向位置已明显窜动。进一步拆解，先后将卡环和齿毂从中间轴上拆下来，轴向固定3 挡、4 挡齿毂的弹性卡环两端面被挤压地凹凸不平，发生了严重塑形变形，如图13所示。
图12 拆卸下6挡和3挡主动齿轮后的中间轴组件
Fig.12 Layshaft assembly after the 6th and 3rd gear be removed
图13 塑形变形严重的弹性卡环
Fig.13 Snap ring with severe plastic deformation
当4 挡主动齿轮负载工作时，因其为右旋斜齿轮，作用于其齿面上的法向力所产生的轴向分力指向同步器齿毂。同步器齿毂通过内花键与中间轴上的外花键配合，卡环再将其在中间轴上轴向固定。卡环挤压变形严重，说明其已不能可靠地固定3 挡、4挡同步器齿毂，而同步器齿毂在中间轴上的正确位置是保证其两侧3 挡齿轮和4 挡齿轮轴向间隙的关键。当3 挡、4 挡同步器齿毂在4 挡齿轮轴向力作用下向3 挡齿轮侧移动后，致使4 挡齿轮侧的间隙加大，而3 挡齿轮侧的间隙消除。当其他挡位工作时，3挡主动齿轮与其相邻的两个零件相对转动，因无间隙而产生摩擦，随着时间的推移，渐渐产生摩擦烧伤，甚至产生了数道烧伤裂纹。
测量失效弹性卡环的表面硬度，实测值为40.9 HRC，而其设计理论值为47～54 HRC。卡环表面硬度偏软，在轴向压力的作用下发生塑形变形，已不能可靠地轴向固定3挡、4挡同步器齿毂。
综上所述，变速箱试验过程中，当4挡齿轮副负载工作时，4 挡主动齿轮的轴向力指向3 挡、4 挡同步器齿毂，在轴向载荷的长时间作用下，因轴向固定同步器齿毂的卡环硬度不足而发生了严重的塑形变形，卡环不能可靠地轴向固定同步器齿毂，致使齿毂发生了轴向窜动。位置窜动后的同步器齿毂使其另一侧的3挡齿轮轴向间隙完全消除。因无轴向间隙，当其他挡位齿轮工作时，3挡主动齿轮已不能在中间轴上自由空转，而与其左右侧的6 挡主动齿轮、同步器齿毂相应端面产生了摩擦干涉，摩擦致使3挡齿轮端面产生了若干道烧伤裂纹。而其中一道端面裂纹恰好处于“1#断齿”的齿槽根部，在齿面的轴向力和切向力综合作用下，该裂纹渐渐向轮毂深处扩展，导致3 挡主动齿轮轮毂开裂。轮毂开裂处的“1#断齿”参与啮合时，因裂缝的存在影响到了啮合节距和轮齿弯曲强度，最终轮毂裂缝处的两个轮齿先后断裂。
在明确断齿原因之后，重新装配变速箱总成进行试验。装配前除了对各挡位齿轮的齿形齿向齿厚、热处理性能指标等与啮合传动直接相关的项目进行检测外，对齿轮和轴的各轴向尺寸亦进行检测，同时对非直接参与啮合传动的卡环、同步器齿毂等零件的硬度和轴向尺寸亦进行严格检测。在装配过程中严格监控齿轮轴组件的压装力和压装行程等数据，以保证变速箱总成零部件和装配工艺过程完全符合设计要求。重新装配的变速箱总成再次进行齿轮耐久台架试验，满载试验过程中各挡位齿轮未出现异响、啸叫等现象，整箱顺利进行完1 300 h试验考核。
拆解经台架试验考核毕的变速箱总成，观察其各档位齿轮的磨损情况，各齿轮参与啮合的齿面磨损均匀，无点蚀，齿顶齿根无干涉，轮齿完好，其他部位如内孔、孔口亦无烧伤等异常磨损，符合QC∕T 568—2011《汽车机械式变速器台架试验方法》[15]中的疲劳试验不失效判据。将变速箱总成搭载于整车上进行道路可靠性试验，顺利通过了10 万公里的耐久考核。经过台架和道路试验验证毕的该变速箱已批量生产，随整车投放市场。
（1）针对与断齿现象直接关联的齿轮热处理硬度、渗碳层深、材料成分、非金属夹杂物、非异常磨损部位金相显微组织等项目进行分析测量，符合设计要求。
（2）从3挡主动齿轮断齿齿根、内孔两端面异常磨损现象展开分析，其异常磨损部位的金相组织表明为摩擦烧伤所致。结合斜齿轮啮合工作过程，指出恰好处于断齿根部齿槽处“端面裂纹1#”为轮毂裂缝的疲劳裂纹源。轮毂开裂影响到了轮齿强度和啮合节距，削弱了轮齿弯曲强度和产生了啮合干涉，最终致使轮齿断裂。指出了断齿和端面异常磨损现象间的内在联系。
（3）进一步分析端面裂纹产生的原因，中间轴组件上起轴向定位作用的卡环硬度偏软，在齿轮啮合轴向力作用下挤压变形严重，同步器齿毂位置发生轴向窜动，3 挡齿轮轴向间隙消除甚至轴向过盈，不能自由转动而产生了端面摩擦烧伤裂纹。
（4）汽车变速箱内的啮合齿轮对数较多，轴上装配有不同齿轮及其他零件，不同挡位工作时，有的齿轮副传递动力，有的空转，彼此间正确的轴向位置关系及轴向间隙的保持对变速箱的可靠运转至关重要。除了齿轮自身因素外，严控轴系上关联零部件的加工制造质量以及装配过程参数，对变速箱齿轮可靠地啮合传动有重要意义。
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