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差速器半軸齒斷齒原因分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)
作者: admin發(fā)表時(shí)間: 2018-04-17 0:00:00瀏覽: 821
差速器是體現(xiàn)汽車性能的關(guān)鍵部件之一,通用汽車集團(tuán)曾因差速器存在安全缺陷,在全球范圍內(nèi)召回30余萬輛汽車。半軸齒是差速器的核心零件,其具有重合度大、傳動(dòng)平穩(wěn)性好及承載能力大等特點(diǎn)。半軸齒因設(shè)計(jì)、制造及過載等原因,可能出現(xiàn)接觸疲勞、磨損與膠合及斷齒等故障,當(dāng)這些故障出現(xiàn)時(shí)將導(dǎo)致差速器失效,汽車無法正常行駛,甚至出現(xiàn)安全事故。目前對(duì)于差速器齒輪的故障的研究較少,特別是結(jié)合金相檢測和有限元分析的文獻(xiàn)還未見系統(tǒng)報(bào)道。為此,本文結(jié)合工廠實(shí)例分析半軸齒失效原因并對(duì)其改進(jìn),提升產(chǎn)品質(zhì)量,達(dá)到用戶使用要求。
1. 半軸齒制造工藝與失效形式
差速器半軸齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示,該齒輪零件通過“下料→磨外圓→車錐度→加熱→溫鍛→正火處理→拋丸處理→磷化/皂化處理→冷校→鉆孔→粗車背錐→切邊→精車背錐→精車內(nèi)孔端面倒角→拉花鍵→滲碳淬火→拋丸處理→精車軸頸平面→產(chǎn)品終驗(yàn)→清洗涂油→包裝”工藝制造生產(chǎn)。該半軸齒輪材料為20CrMnTiH,符合GB/T 5216—2004標(biāo)準(zhǔn),其化學(xué)成分如表1所示。
通過上述工藝生產(chǎn)出的半軸齒輪如圖2a所示,將其交予用戶使用后,用戶反饋有部分齒輪出現(xiàn)失效,其中較典型的失效齒輪見圖2b、圖2c所示。從圖2b、圖2c中可以判斷該失效形式為斷齒失效,是齒輪最嚴(yán)重的失效形式,失效后差速器不能實(shí)現(xiàn)差速,容易發(fā)生事故造成人員傷害。
2. 失效原因分析
(1)金相分析。本文對(duì)失效齒輪進(jìn)行了熱處理效果檢測,數(shù)據(jù)如表2所示,該齒輪熱處理符合產(chǎn)品技術(shù)要求。
為了準(zhǔn)確判斷斷齒原因,本文還對(duì)端口進(jìn)行了金相觀察,如圖3所示,從圖3a、圖3b中可以看出,該斷口未見疲勞破壞。輪齒斷口無宏觀可見的塑性變形,放射區(qū)占斷口的很大部分,微觀主要為沿解理面的穿晶斷裂,在圖3c中可以判斷出斷口形貌為準(zhǔn)解理+撕裂。上述分析表明,該齒輪未見疲勞斷裂特征,為一次性斷裂,斷齒不是因?yàn)槠趶?qiáng)度不足而斷齒,無初始裂紋,齒面沒有折疊,從而可以判斷斷齒是因?yàn)檫^載造成的,即齒輪強(qiáng)度不足造成斷齒。
(2)故障再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)及強(qiáng)度校核。在分析了制造過程與半軸齒輪強(qiáng)度有關(guān)的數(shù)據(jù)都合理的情況下,本文通過故障再現(xiàn)的結(jié)果進(jìn)行分析計(jì)算,驗(yàn)證設(shè)計(jì)強(qiáng)度是否滿足相關(guān)要求。驅(qū)動(dòng)橋總成靜扭實(shí)驗(yàn)的后備系數(shù)Kk=2.21;滿足QC/T 534—1999驅(qū)動(dòng)橋總成靜扭強(qiáng)度后備系數(shù)Kk>1.8;實(shí)驗(yàn)結(jié)果為半軸齒輪斷裂,而非半軸。根據(jù)驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)原則,驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)應(yīng)是半軸。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示半軸齒輪破壞時(shí)候的輸入轉(zhuǎn)矩1 670N·m,此時(shí)差速器殼的轉(zhuǎn)矩為1 670×38/9=7 051.11(N·m),半軸齒輪承受的轉(zhuǎn)矩為7 051.11/2=3 525.56(N·m)。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)普通的圓錐行星齒輪式差速器的轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)ε=0.55~0.6,取ε=0.6,則半軸齒輪實(shí)際能承受最大轉(zhuǎn)矩為754×38/9×0.6=1 910.33(N·m),那么半軸齒輪的后備系數(shù)為3 525.56/1 910.33=1.85。查閱汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 29108—1993,汽車驅(qū)動(dòng)橋差速器行星、半軸齒輪質(zhì)量分等要求合格品、一等品強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)應(yīng)≥2.5,因此,可得出造成半軸齒輪強(qiáng)度不足的根本原因在于設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足。
(3)結(jié)構(gòu)改進(jìn)及有限元分析。按驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)原則最薄弱的部件為半軸,根據(jù)與該齒輪相配合的半軸的靜扭實(shí)驗(yàn)破壞的最大轉(zhuǎn)矩后備系數(shù)2.63,那么更改結(jié)構(gòu)后的半軸齒輪的后備系數(shù)至少要大于2.63,為了保證齒輪強(qiáng)度后備系數(shù)有一定的富余量,因此設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)半軸齒輪強(qiáng)度后備系數(shù)取K=3,半軸齒輪承受轉(zhuǎn)矩為2 387.676×3=7 162(N·m),此時(shí)行星齒輪承受的轉(zhuǎn)矩為7 162×25/40=4 476.25(N·m)。半軸齒輪有限元分析承受的轉(zhuǎn)矩為7 162N·m時(shí),最大應(yīng)力<980MPa。
本文采用ANSYS分析了半軸齒輪的受力情況,其結(jié)果如圖4所示,其有限元分析得到的應(yīng)力集中點(diǎn)和故障件的破壞點(diǎn)位置相同。結(jié)合圖5所示嚙合區(qū)位置模擬示意圖和紅丹粉檢測圖可以看出,應(yīng)力集中點(diǎn)和嚙合區(qū)處于同一區(qū)域,導(dǎo)致齒輪承載能力差。
為了提高齒輪強(qiáng)度,本文對(duì)齒輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn),如圖6所示,在輪齒上下端增加了加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu),并取圖6中所示X、Y為控制尺寸,其有限元分析結(jié)果如圖7所示。
當(dāng)小端加強(qiáng)筋直徑X<44.2mm,大端加強(qiáng)筋厚度Y>14.1mm時(shí),應(yīng)力點(diǎn)集中在大端齒頂和小端平面與面錐相交處;當(dāng)小端加強(qiáng)筋直徑X=44.2mm、Y=14.1mm時(shí),小端平面與面錐相交處(故障件破壞點(diǎn))的應(yīng)力點(diǎn)消失,只存在大端齒頂處的應(yīng)力點(diǎn),此時(shí)半軸齒輪承受的轉(zhuǎn)矩值為7 162N·m(按設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)定的目標(biāo)加載的轉(zhuǎn)矩),這時(shí)的最大應(yīng)力點(diǎn)的應(yīng)力值為592.9MPa,小于980MPa,有一定的強(qiáng)度富余量,為了保證強(qiáng)度有足夠的富余、便于加工,在材料盡量少的情況下,X?。?4.4±0.1)mm, Y?。?3.9±0.1)mm。
(4)改進(jìn)后的齒輪效果驗(yàn)證。改進(jìn)后的齒輪產(chǎn)品如圖8所示,經(jīng)用戶使用后,在服役期內(nèi)未出現(xiàn)輪齒斷裂失效現(xiàn)象,產(chǎn)品達(dá)到用戶使用要求。
3. 結(jié)語
(1)建立仿真模型,設(shè)定變量,將模型通過有限元分析,分析得到結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致,用于開發(fā)新產(chǎn)品時(shí),作強(qiáng)度理論分析,可縮短開發(fā)時(shí)間,減少實(shí)驗(yàn)浪費(fèi),提高一次開發(fā)成功率。
(2)采用有限元分析驗(yàn)證齒輪設(shè)計(jì),能有效地保證半軸齒輪設(shè)計(jì)強(qiáng)度,避免了變速器因此而產(chǎn)生故障,為今后正確設(shè)計(jì)、制造汽車變速器具有重要意義。
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