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差速器设计与分析设计【含5张CAD图纸】,含5张CAD图纸,差速器,设计,分析,CAD,图纸
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科学 指引工程失效分析13（2006）1422-1428汽车差速器小齿轮轴失效分析H. 拜瑞斯肯阿菲永卡拉希萨尔大学，技术教育学院，03200阿菲永，土耳其收到于2005年7月8日,于2005年7月14日被接受2005年9月可用于在线阅读摘要汽车差速器的作用是根据车辆合适的角度, 通过将运动转向, 为运动的传输减速或者提供瞬间加速度, 这个运动来自于汽车发动机, 传递到汽车车轮去, 使汽车的内车轮和外车轮转动的速度变的不同。入口处的游星齿轮和齿轮轴是作为单一部分加工制造的，但是根据车辆型号不同有不同的形状。和这个齿轮一起工作的镜面齿轮应该在差速器组装前就已经磨合好。一旦发生故障，它们应该成对的更换。一般来说，在这些系统中齿轮都存在磨损损坏。本文中检查的齿轮损坏具体来说是轮轴断裂。在本次研究中，进行了差速器小齿轮轴的失效分析。首先要做的是取得材料的力学特性资料，然后是确定其微观结构和化学成分，还要做一些显微镜观察研究来评估其疲劳和破损状况。2005年，爱思维尔有限公司。版权所有。关键词：差速器; 破损；动力分配装置；小齿轮轴1. 引言最终传动齿轮可能直接或间接地由齿轮箱的输出齿轮驱动。当汽车发动机和变速箱中的传输设备结合在一起，形成一个整体结构时，就需要使用直接驱动的最终传动齿轮。间接驱动最终传动齿轮或者借助一些装置附在汽车后端，或者并入后桥壳。最终驱动齿轮由于如下原因被使用在传输系统中1：(a) 为了使齿轮箱或者传动轴的动力90转向(b) 为了向发动机和驱动轮之间提供一个永久的齿轮减速。在汽车中，差速器是将运动从发动机传输到汽车车轮的主要部件。在平坦的道路上，运动会被平均的分配给两个车轮。内侧的车轮应该转向幅度小一些, 而外侧的车轮转向幅度应该大一些, 这样转弯过程中才不会发生横向滑动而被甩出去。差速器通常放置于汽车后车桥的中部，由游星齿轮、镜面齿轮、差速器箱、两个轴齿轮和两个游星蜘蛛齿轮构成。图一给出了差速器的示意图，图二给出了断裂的小齿轮轴的技术图解，图三是断裂的小齿轮轴的图片，表示出了断裂部分。图1 进行分析的差速器的图解图2 进行分析的小齿轮轴的技术图解在差速器里，人们在生产时将镜面齿轮和流星齿轮制作得相互适应，并且使用相同的序列号。无论它们中的任何一个出现问题的话，它们两个都要更换。在这些系统中，常见的损伤是齿轮磨损2-4。在本次研究中，检查了一辆小型巴士的差速器小齿轮轴。该小型巴士是一辆由后轴驱动的柴油汽车，可搭载15名乘客。发动机的最大功率是90马力，每分钟转速4000转，最大扭转力是 205牛米，每分钟转速1600转。它的传动箱里有手动系统 (5个向前，一个向后)。损伤是由于小型巴士在交通灯处停止和启动而引起的。在这个差速器中，驱动流星齿轮的输入轴断裂。人们做了各种各样的研究来确定这种损伤的类型和可能发生这种损伤的原因。它们是:1、确定轮轴材料的研究2、确定其微观结构的研究3、与断裂面相关的研究图四是断裂表面和断裂区域的近距离照片。这个断裂是将表面中心的圆形标记齿轮取走而形成的。图3 研究中进行分析的完好小齿轮轴的图片图4 失效轮轴的照片2. 实验步骤从齿轮轴中提取的样本要接受各种各样的测试，包括硬度测试，金相测试和扫描电子显微镜测试以及化学成分的确定。所有测试均是在室温下进行的。2. 1 化学和冶金分析断裂差速器材料的化学成分分析是使用光谱仪完成的。该材料的化学成分如表一所示。化学成分分析显示该材料是美国钢铁协会标准8620型的一种低合金碳化钢。这种钢的淬硬性很低，这是因为它的碳含量比例较低。因而，需要通过渗碳处理增加其表面区域的碳比例，使表面区域变得坚硬，使其更加耐用，内部区域变得坚韧。这种钢一般被用在需要扭转和弯曲的机械部件中。通过使钢的表面变硬，通过压缩残余应力使钢的表面获得较高的阻力性，同时获得较高的疲劳承受值5-7。合金元素怎样掺入碳钢主要取决于每种元素的化合倾向和形成碳化物的倾向。镍溶解于钢的铁酸盐，是因为它比铁更不容易形成碳化物。硅与钢中的氧在一定程度上结合形成非金属内含物，不然的话则溶解于铁酸盐。大多数的锰是通过加入到碳钢中而溶解于铁酸盐的。铬比铁更容易形成碳化物一些，会在铁酸盐和碳化物阶段之间分解。掺入铬的量取决于碳的含量以及是否存在有钛、钶这些更容易形成碳化物的元素存在。如果有足够的碳并且没有钛、钶这些更容易形成碳化物的元素存在，钨和钼可以和碳形成碳化物。锰和镍可以降低共析混合物的温度8。表1 小齿轮材料的化学分析(wt%)FeCSiMnPSCrMoNi96.920.2350.2520.7680.0440.0160.4810.1510.517失效差速器材料的初步微观结构检验如图五所示。可以看出这种材料有一种复合结构，由于冷却缓慢和较高的硅含量，该结构中很可能存在有一些铁酸盐。这种钢中的较高硅含量可以提高受热时的敏感性，还有提高屈服强度和最大压力，而不降低延展性9。如果微观结构不能通过冷淬转化为马氏体, 就可以观察到疲劳极限降低。图五（a）中有处于碳阶段的区域。图五(b)中有渗碳的过渡边缘，图五(c)显示了未渗碳的基质区域。就像这些图片中它们被看到的样子，本文首先进行了碳化处理，而后进行冷淬操作，接着再进行回火。这种情形可以从不易观察到的马氏体片来理解。图5 该材料的微观结构22 硬度测试硬度测试是通过MetTest-HT型计算机集成硬度测试仪进行的。其负荷为1471N。它的内部区域的平均硬度值为43HRC。并进行了微观硬度测试，以确定在渗碳过程中引起的表面的硬化带来的横截面硬度值的变化。在4.903N的负荷量下，维式硬度计硬度测试的结果如表二所示。 2.3 断裂处的检查本章给出了表面断裂的轮轴的直接观察结果和扫描式电子显微镜分析结果。刻痕底部可能的问题导致齿轮轴出现裂缝，进而使整个齿轮轴完全断裂。裂缝是从外部开始的，一段时间过后断裂范围继续越过中心部分，只剩一小部分没有断裂。而这一小部分也会在车辆在交通灯处突然启动时静态地断裂。在断裂表面有两个区域，这是疲劳断裂的一个特点。有一个裂缝扩大引起的光滑表面和一个突然断裂引起的粗糙表面。这两个区域的整个问题可以在图四中清楚地看到。疲劳裂缝扩大区域占整个横截面积的80%以上。表2 微观硬度值到表面的距离(um)50100200400中间值 HV值 (4903N)588410293286263图6 显示出断裂表面韧性剪切带的扫描式电子显微镜图像齿轮轴在受到弯曲、扭转、轴向力的作用下工作时，弯曲、扭转、轴向力不断影响使用时依赖最多的区域。在断裂部分有一个非常锋利的薄片。通过这个原因, 就可以确定该区域的压力集中因素。根据计算，得知弯曲和拉伸时的Kt值为2.4，扭转时的Kt值为1.9。对于需要承受组合负荷的区域来说这些数值是相当高的。图7 显示疲劳裂缝扩散海滩纹的断裂表面的扫描电子显微镜图像这些观察和分析显示，齿轮轴在很少压力，中等压力集中的情况下，受扭转影响而断裂。扫描电子显微镜显示，断裂是在延展的状态下发生的（图六）。在裂缝扩散区域有一些切变裂痕，切变裂痕总是伴随着切变形发生的。图七 显示了疲劳裂缝扩散的海滩纹。任何两条疲劳裂缝扩散的海滩纹之间的距离都在133纳米左右。3.结论本次研究中分析了一个失效的差速器小齿轮轴。该小齿轮轴是用美国钢铁协会标准的8620低碳渗碳钢生产的，这种低碳渗碳钢生产过程中经过了渗碳、冷淬和回火热处理等工艺过程。进行了机械性质、微观结构性质、化学成分以及金属断裂面的显微镜观察分析，以确定小齿轮轴可能的断裂原因。 可以总结得出以下结论：1、断裂发生在有较高压力集中的区域，这些较高压力集中区域是由于弯曲、扭转以及高度可反转的轴向力共同作用下的疲劳过程引起的。2、断裂时的裂缝很有可能是从关键位置的材料瑕疵部位开始的。3、断裂是在延展状态下发生的。4、减少关键位置的压力集中可能会很容易的避免之后可能发生的差速器小齿轮轴失效现象。鸣谢作者非常感谢普如夫. S. 塔斯基特瑞恩教授在本次研究中给予他的意见和建议。引用文献1 Heisler H. Vehicle and engine technology. 2nd ed. London: SAE International; 1999.2 Makevet E, Roman I. Failure analysis of a final drive transmission in off-road vehicles. Eng Failure Anal 2002;9:57992.3 Orhan S, Akturk N. Determination of physical faults in gearbox through vibration analysis. J Fac Eng Arch Gazi University2003;18(3):97106.4 Tasgetiren S, Aslantas K, Ucun I. Effect of press-fitting pressure on the fatigue damages of root in spur gears. Technol Res: EJMT2004;2:219.5 Nanawarea GK, Pableb MJ. Failures of rear axle shafts of 575 DI tractors. Eng Failure Anal 2003;10:71924.6 Aslantas K, Tasgetiren S. A study of spur gear pitting formation and life prediction. Wear 2004;257:116775.7 Savas V, O zek C. Investigation of the distribution of temperature on a shaft with respect to the deflection. Technol Res: EJMT2005;1:338.8 Smith FW. Principles of materials science and engineering. 3rd ed. USA: McGraw-Hill Series; 1996. p. 51718.9 ASM metal handbook, vol. 1. Proper
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