汽车变速箱齿轮失效分析课程设计.docx
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汽车变速箱齿轮失效分析课程设计
汽车变速箱齿轮失效分析课程设计
院部：
机械工程学院
专业：
金属材料工程
班级：
1102班
指导老师：
刘先兰职称：
博士
本组成员：
黄奇翔、刘伟雄、唐浩然、冯岳峰、廖浩
完成时间：
2014年4月28日
姓名：
学号：
目录
摘要2
关键词2
1
绪论3
1.1
变速箱齿轮的原理4
1.2分析意义5
2
理论检验6
2.1宏观断口分析6
2.2化学分析7
2.3金相检验7
2.4有效硬化层测试8
2.5扫描电镜分析10
3
分析与讨论11
4
结论12
参考文献13
致谢
摘要
采用宏观检验，化学成分分析，金相检验，有效硬化测试，扫描电镜分析等方法对失效变速箱齿轮进行分析。
结果表明，因工作应力过高等原因造成主动齿轮齿面先发生接触疲劳失效，导致齿根部应力增大产生高周疲劳裂纹继而引起齿断裂，致使其余齿和从动轮齿别打断。
关键词:
变速箱齿轮；接触疲劳；工作应力
Abstract：
Themacroscopicexamination,chemicalcompositionanalysis,metallographicexamination,effectivehardeningtest,SEManalysismethodtoanalyzethefailureoftransmissiongear.Theresultsshowthat,causetheactivegeartoothsurfacecontactfatiguefailureduetohappenfirstworkingstressandotherreasons,leadtotoothrootstressincreasethehighcyclefatiguecrackandcauseoftoothfracture,resultinginthegearandthedrivengeardon'tinterrupt.
Keywords:
transmissiongear;contactfatigue;workstress
绪论
1变速箱齿轮的原理：
机械式变速箱主要应用了齿轮传动的降速原理。
简单的说，变速箱内有多组传动比不同的齿轮副，而汽车行驶时的换档行为，也就是通过操纵机构使变速箱内不同的齿轮副工作。
如在低速时，让传动比大的齿轮副工作，而在高速时，让传动比小的齿轮副工作。
手动变速箱主要由齿轮和轴组成，通过不同的齿轮组合产生变速变矩；而自动变速箱AT是由液力变扭器、行星齿轮和液压操纵系统组成，通过液力传递和齿轮组合的方式来达到变速变矩。
液力变扭器是AT最具特点的部件，它由泵轮、涡轮和导轮等构件组成，直接输入发动机动力传递扭矩和离合作用。
泵轮和涡轮是一对工作组合，它们就好似相对放置的两台风扇，一台主动风扇吹出的风力会带动另一台被动风扇的叶片旋转，流动的空气——风力成了动能传递的媒介。
如果用液体代替空气成为传递动能的媒介，泵轮就会通过液体带动涡轮旋转，再在泵轮和涡轮之间加上导轮以提高液体的传递效率。
由于液力变矩器自动变速变矩范围不够大且效率偏低。
变速器齿轮工作原理齿轮变速器
功能：
（1）改变传动比，满足不同行驶条件对牵引力的需要，使发动机尽量工作在有利的工况下，满足可能的行驶速度要求。
在较大范围内改变汽车行驶速度的大小和汽车驱动轮上扭矩的大小。
由于汽车行驶条件不同，要求汽车行驶速度和驱动扭矩能在很大范围内变化。
（2）实现倒车行驶，用来满足汽车倒退行驶的需要。
实现倒车行驶汽车，发动机曲轴一般都是只能向一个方向转动的，而汽车有时需要能倒退行驶，因此，往往利用变速箱中设置的倒档来实现汽车倒车行驶。
（3）中断动力传递，在发动机起动，怠速运转，汽车换档或需要停车进行动力输出时，中断向驱动轮的动力传递。
（4）实现空档，当离合器接合时，变速箱可以不输出动力。
例如，可以保证驾驶员在发动机不熄火时松开离合器踏板离开驾驶员座位
2分析意义
一.变速箱在较大范围内改变汽车行驶速度的大小和汽车驱动轮上扭矩的大小。
由于汽车行驶条件不同，要求汽车行驶速度和驱动扭矩能在很大范围内变化。
例如在高速路上车速应能达到100km/h，而在市区内，车速常在50km/h左右。
空车在平直的公路上行驶时，行驶阻力很小，则当满载上坡时，行驶阻力便很大。
而汽车发动机的特性是转速变化范围较小，而转矩变化范围更不能满足实际路况需要。
二.实现倒车行驶
汽车发动机曲轴一般都是只能向一个方向转动的，而汽车有时需要能倒退行驶，因此，往往利用变速箱中设置的倒档来实现汽车倒车行驶。
三.实现空档
当离合器接合时，变速箱可以不输出动力。
例如可以保证驾驶员在发动机不熄火时松开离合器踏板离开驾驶员座位。
变速箱由变速传动机构和变速操纵机构两部分组成。
变速传动机构的主要作用是改变转矩和转速的数值和方向；操纵机构的主要作用是控制传动机构，实现变速器传动比的变换，即实现换档，以达到变速变矩。
机械式变速箱主要应用了齿轮传动的降速原理。
简单的说，变速箱内有多组传动比不同的齿轮副，而汽车行驶时的换档行为，也就是通过操纵机构使变速箱内不同的齿轮副工作。
如在低速时，让传动比大的齿轮副工作，而在高速时，让传动比小的齿轮副工作。
2理论检验
某新型轿车变速箱的一组从动和主动齿轮在台架试验过程中发生失效。
失效齿轮为相匹配的从动论和主动轮各一只，其材料为进口低合金钢，生产工艺流程为：
锻造成型粗车调质精车滚齿淬火磨齿探伤成品。
2.1宏观断口分析
两齿轮的齿均已断裂，如图1主动五档齿断口宏观形貌可以分为两类，一类断口有疲劳断口特征，另一类断口具有纤维状形貌，如图2所示。
图1图2
2.2化学成分分析
断齿上取样做化学成分分析，结果表明其化学成分符合技术要求，如表1
表1齿轮化学成分分析
元素
C
Si
Mn
S
P
Cr
Ni
Mo
标值值
0.17-0.23
0.15-0.40
0.60-0.90
<0.035
<0.035
0.3-0.7
1.4-1.8
0.40-0.50
主动齿
0.21
0.15
0.67
0.034
0.009
0.76
1.52
0.41
从动齿
0.20
0.15
0.67
0.034
0.010
0.76
1.46
0.40
2.3金相检验
断齿上取样作金相检验，主动齿轮表面显微组织为碳氮化合物<15%,残余奥氏体A1，针状马氏体MK7，表面无氧化见图3，从动齿表面显微组织为碳氮化合物<15%，残余奥氏体A1针状马氏体MK7，表面无氧化，两齿轮表面组织正常，符合技术要求。
齿轮表面组织主动轮疲劳断齿低倍形貌
图3图4
2.4有效硬化层测试
断齿上取样用全自动显微硬度计义1kg载荷对其有效硬化层测试，结果表明，动齿有效硬化层深度为CHD550HV1=0.42mm从动齿有效硬化层深度为CHD550HV1=0.45mm,技术要求为0.3-0.5mm,可见两齿轮有效硬化层深度均符合技术要求。
疲劳源处微裂纹形貌主动轮一次性断齿低倍形貌
图5图6
2.5扫描电镜分析
用扫描电镜观察断口，主动五档齿具有疲劳特征的齿其疲劳源均位于齿根根部，图4为其中一只断齿的地倍形貌，根部疲劳源经放大后可见断口附近有与断面趋向一致的微裂纹，疲劳源附近渗碳层区断口微观形貌为沿晶断裂及具有疲劳辉纹，见图5.说明齿轮工作时翅根应力较高，断口疲劳区微观形貌为疲劳辉纹，见图6.一次性断裂的齿也沿翅根断裂，如图7为其中一只断齿的低倍形貌，端口微观形貌在硬化层部位为沿晶，心部为韧窝，见图8，对断齿侧面做观察，有片状剥落特征见图9，剥落底部有疲劳有辉纹特征，说明有接触疲劳特征。
从动五档齿断裂也发生于齿根部，图为其中一只断齿的低倍断口形貌，断口微观形貌为剧烈变形的韧窝。
主动齿一次性断齿高倍形貌片状剥落特征
图7图8
剥落坑底部辉纹从动齿断齿低倍形貌
图9图10
3分析与讨论
从化学成分、金相组织、有效硬化深度等分析可知两齿轮均符合技术要求，从宏观分析可知，主动齿轮断齿分为两类，一类为具有疲劳特征的断齿，另一类为具有一次性快速断裂特征的断齿，二从动轮断齿为一次性快速断裂特征。
通过进一步扫描电镜分析可知主动齿于部分齿根部形成疲劳裂纹，进而产生应力集中发生断裂，说明齿轮工作时齿根部应力较高，而断齿侧面局部有片状剥落特征也说明这一点，这属于接触疲劳失效的一种情况，通常是由于工件表面在接触压应力的长期反复作用下引起的一种表面疲劳破坏现象，表现为接触表面出现许多针状或痘状的凹坑，称为麻点，有的凹坑很深，呈“贝壳状”，有疲劳裂纹发展线的痕迹存在，在刚出现少数麻点时，一般仍能继续工作，但随着工作时间的延续，麻点剥落现象将不断增多和扩大，诸如本例中的齿轮，此时啮口情况恶化，磨损加剧，使齿根部应力增大，产生疲劳裂纹并不断扩展至齿断裂。
二断裂的齿嵌入未发生裂纹的齿间，产生较大的冲击力，使主动齿及从动齿的其余齿均被打断。
本例中的麻点出现于表层，说明工作时工作应力较高，这与实际工况有关，鉴于齿轮本身各项物理化学性能均无异常，该齿轮是配套于此车型。
4结论
由于齿轮工作时齿面接触应力过高，若发生接触疲劳失效，由于啮合恶化，磨损加剧，齿根部应力增大，在齿根部产生高周疲劳裂纹，从而引起齿断裂，继而造成其余齿倍挤压打断。
参考文献：
[1]胡兰青，变速箱齿轮断齿分析[J]。
理化检验；物理分册（PhyiscalandChemicalAnalysis;PartaPhysicalTsting）
[2]王忠，机械工程教材[m].北京；清华大学出版社，2005:
341
[3]GB/T14229-1993齿轮接触疲劳强度试验方法[s].
致谢
实际过程中，刘先兰老师给了我们很多的帮助，提供了许多基本知识和设计建议，特别是在课程设计过程中耐心的给我们讲解各种问题，帮助我们解决了各种疑惑，是我们的基本能力得到了提升。
感谢刘老师在百忙之中给予我们支持和宝贵的意见。
最后，也要感谢本组成员的积极配合，通力合作，以及认真严谨的完成本次课程设计。
感谢大家
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