摘要：变速器中间轴的早期失效是钢中的非金属夹杂物引起的早期疲劳断裂，只能通过某新型变速器进行疲劳寿命试验时，试验进行循环时出现异响，拆箱检查发现中间轴一档齿轮断齿。现对失效中间轴的材质、硬度、金相、非金属夹杂、断口形貌等进行全面分析。
关键词：变速器；中间轴；断裂
目前，在机械式齿轮传动的变速器有两大类，一类为带同步器的单中间轴变速器，另一类为不带同步器的中间轴变速器。中间轴变速器因其由两根中间轴分担扭矩，且不带同步器，造成该变速器的轴向长度减小，重量减轻。为解决该故障问题，对故障箱进行拆解检测，从设计和制造方面对产生该故障的原因进行分析，重点对后盖定位销孔的加工误差及轴肩处的圆角进行模拟分析，确定其是产生故障的主要原因。在对主要影响因素进行控制后，通过连续数月的市场故障统计，发现改进后的变速器没有发生类似故障现象。
一、中间轴变速器工作原理
从输入轴旋转，各齿轮啮合的齿侧间隙会压实，浮动齿轮的单侧啮合齿部会产生间隙，然后开始加上负荷，推动浮动齿轮，齿轮的位置偏离，有间隙的齿面发生接触。在浮动齿轮的两啮合点上负荷发生作用，当两啮合点的法线负荷相等时，浮动齿轮的位置稳定下来。中间轴变速器在传递扭矩时，理论上每根中间轴承担总体扭矩的50%，但是由于中间轴齿轮、中间轴、键等零件的加工误差，导致实际上每根中间轴承担的扭矩并不是总体扭矩的50%，从而因某根中间轴承担扭矩的增加，造成中间轴上齿轮提前打齿，降低中间轴上齿轮的寿命降低，最终，造成中间轴变速器整体寿命的降低。
二、中间轴断裂问题分析
1问题描述。该公司某中间轴变速器在疲劳寿命试验循环二挡时发现异常震动，试验人员立即停机，发现中间轴轴承盖碎裂，拆箱发现中间轴二挡齿轮下方靠近半圆键前端部位断裂。该变速器为单中间轴全斜齿变速器，中间轴承受扭矩、弯矩共同作用，且中间轴上轴向力在前进挡时抵消，此处断裂在原变速器台架试验中从未发生过，疲劳断口有明显的区域:疲劳裂纹源、疲劳裂纹扩展区和最终的过载瞬断区。过载区是因为裂纹扩展一定时间后，该轴的有效面积减少，不能承受下一个也是最终一个循环载荷的作用而形成断口，最终断裂几乎总是突然发生并且没有塑性变形，该区域面积较少，说明应力不大，即载荷不太大。相对裂纹扩展区，具有贝壳状标记所覆盖的断口面积相对比较大。疲劳裂纹的起源———贝壳状标记曲线的曲率中心，恰好在键槽处。带键槽的圆柱体常在键槽的根部萌生扭转疲劳裂纹，在交变载荷作用下沿其横断面扩展，产生横向疲劳断裂，同时沿圆周方向和轴向扩展，形成具有剥离倾向趋势的断裂曲面，由于键槽的存在和其表面粗糙(粗糙度为100μm)，可以认为该铣削加工键槽面的刀痕本身就是显微裂纹，或引起应力集中，容易萌生微裂纹。
2、原因分析。挠度校核计算。故障变速器是根据客户要求扭矩增大4%进行疲劳试验，因此，我们有必要对新的输入扭矩下的中间轴挠度进行计算，通过Romax分析软件，建立变速器齿轮传动三维模型如图。
给一轴进行纯扭矩加载，最终计算出变速器挂一档时挠度最大为0.3mm，挂二挡时挠度最大为0.25mm，且最大挠度位置都在距离轴左端200mm处，通过比对中间轴图纸，此处正是发生断裂的部位。
理化检测及断口形貌分析。经过理化检测，发现中间轴材质、表面硬度、金相组织、有效硬化层深，以及光轴断裂部位的表面硬度、残余层深等均符合技术要求；通过在显微镜下观察可以判断断裂类型属于旋转弯曲疲劳断裂[1]，断裂源是在中间轴半圆键槽的尖角部位附近，初步怀疑是交变得弯曲和扭转共同作用，使得此处超过了材料的抗拉强度而产生了最初的裂纹，随着疲劳裂纹的扩展，最终导致断裂。经过分析可知，裂纹源起始于半圆键尖角处，因此，有必要对半圆键槽处是否存在初始裂纹进行验证，通过对比同一个中间轴，未安装半圆键时、安装半圆键拆装后、疲劳试验磨合后键槽尖角处的显微形貌发现，可以看到原始新轴尖角处无显微裂纹，在安装半圆键间隙是-0.05的情况下，拆去半圆键后发现尖角有长度为0.39毫米的裂纹；各档磨合1h，一档正式1小时，其余档位30min后（五档箱），排查未断轴的变速器中间轴与半圆键配合间隙，基本都在0.003-0.007之间，因此从对比分析可以得知：如图可看出，模拟结果与实验的成形形貌基本吻合。
3、故障箱检测分析。在设计上进行强度校核的同时，对市场故障件进行了金相检验、硬度、材质及零部件质量符合性检测。除箱体的定位销孔位置尺寸超差外，未见其他异常。从该变速器的结构布置进行分析，定位销孔的尺寸超差，会造成中间轴后支承轴承的位置发生变化，造成二档运转的过程，中间轴产生额外的附加弯矩。在附加弯矩的作用下，中间轴可能会发生高应力短周期的疲劳失效。为验证定位销孔位置尺寸超差对中间轴疲劳强度的影响，现对该变速器模型进行处理，以模拟定位孔尺寸超差情况。模拟计算的结果显示中间轴两个断裂处的疲劳安全系数分别降低为0.82和1.96。通过以上从设计和实物质量方面的分析，得出中间轴断裂的主要原因为定位销孔的位置尺寸超差严重，造成中间轴上存在附加弯矩，致使中间轴的安全系数降低。
三、中间轴断裂问题改进措施
1、定位销孔加工误差控制。通过对加工箱体的机床精度和夹具定位精度调整、合理分配钻铰余量等措施，控制箱体定位销孔的加工位置精度，避免超差现象发生。
2、轴肩处圆角优化。通过对轴疲劳特征的研究，对影响应力集中的圆角因素进行优化，将轴承轴肩处的圆角尽可能地增大。通过Romax软件分析，将圆角由R0.5改为R1.9，轴肩处的疲劳安全系数提高到2.99，在同样的定位销孔尺寸超差的情况下，其疲劳安全系数为1.05，可进一步降低中间轴疲劳失效的风险。
从理化分析结果可知，中间轴的材质、硬度、显微组织均符合技术要求，非金属夹杂含量超标。零件中非金属夹杂物的存在破坏了基体的连续性，降低了材料的塑性、韧性和疲劳性能。由于非金属夹杂物和钢基体的热膨胀系数和变形率不同，在加热、冷却和钢变形时会在夹杂物和基体的界面上形成显微裂纹。在受力条件下，夹杂物不能传递应力而成为应力集中点，从而加速了裂纹的生成和扩展。钢中的夹杂物主要分为硫化物夹杂和氧化物夹杂，由于硫化物夹杂的塑性较好对钢性能的影响较小，而氧化物夹杂，特别是氧化钙、铝酸钙、氧化铝和尖晶石型夹杂物引起的应力集中最为严重。中间轴中过量且集中分布的氧化物夹杂严重降低了零件的疲劳性能，运行过程中受到外力，加快了疲劳裂纹的生成和扩展，最终导致中间轴疲劳断裂。
结论
通过模拟计算φ5×13mm的开口型沉头抽芯铆钉铆接过程，得出：
1）铆体在拉铆过程中主要经历两个阶段：塑性阶段、墩粗阶段。2）铆体应力主要集中在铆钉铆体尾部与钉芯凸出头部相接触的区域，中心区域的等效应变较小。3）铆体在塑性阶段有效塑性应变比迅速增加，当在墩粗阶段时有效塑性应变比增长缓慢，最终其值几乎无变化。4）将模拟结果与实验结果进行对比，其形貌有很好的一致性。
参考文献
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[4]宋进桂,龚宗洋.汽车变速器理论基础选择设计与应用.[M].北京:机械工业出版社.2012.
论文作者:肖振兴
论文发表刊物:《基层建设》2019年第4期
论文发表时间:2019/5/13
标签：变速器论文; 裂纹论文; 疲劳论文; 键槽论文; 齿轮论文; 扭矩论文; 半圆论文; 《基层建设》2019年第4期论文;