某款齿轮齿条式动力转向器齿轮断裂分析

睢利铭，周 鹏

（1.河南机电高等专科学校，河南 新乡453002；2.中航工业新航豫北转向系统股份有限公司，河南 新乡453000）

齿轮齿条式动力转向器在轿车、皮卡、SUV等车型中应用广泛，属于转向器中的一种液压转向器。对于此类液压助力的转向器,齿轮是转向器中的关键零部件之一,在整个转向器中起到传递力矩，将旋转运动转换为直线运动的作用。

某款车型齿轮齿条式动力转向器的齿轮由42CrMo材料加工，加工后后进行高频淬火并回火，保证齿部及齿面硬度符合使用要求。该零部件配套车型在行驶3770km时，齿轮发生断裂，属早期断裂现象。为查清事故原因，防止类似事故发生，对断裂件进行失效分析。

1 壳体断裂分析

（1）化学成分分析。通过光谱仪检测，对断裂件断口部位化学成分进行分析，结果如表1所示。

表1 化学成分（%）

经检测符合成分要求。

（2）宏观观察断口。从断口情况可以看出，齿轮受到较大弯曲内应力，在反复交变力作用下应力释放产生疲劳断裂，如图1所示。

图1 断口形貌

（3）硬度检测。使用硬度计对齿轮齿部表面硬度和心部表面硬度进行检测，表面硬度614.5HV（要求600～720HV），心部硬度249.2HV（要求230～260HV），淬硬层深度为2.9mm、3.0mm（要求1～3.5mm），均符合技术文件要求。

（4）机械性能检测。分别在断裂齿轮的心部和表层取样，在试验机上进行拉伸试验，结果如表2所示，可以看出，齿轮的抗拉强度符合标准要求。

表2 抗拉强度对比

（5）金相检测。金相是指金属或合金材料的内部结构，即金属或合金的化学成分以及各种成分在合金内部的物理状态和化学状态。金相组织是反映金属金相的具体形态，如马氏体，奥氏体，铁素体，珠光体等，金属材料的显微组织直接影响到机械零件的性能和使用寿命，金相分析是控制机械零件内在质量的一种重要手段。

断口试样在400×电子显微镜下观察，组织平衡，属于正常组织，如图2所示。

图2 索氏体2级

（6）CAE分析。模拟齿轮齿条动力转向器实况工作极限要求，结合国内行业标准对齿轮齿条动力转向器的要求（输入轴施加300Nm负荷时壳体不准有损坏)。选择齿轮齿条动力转向器整体分析组件（包括齿轮、齿条组件、轴承）进行分析[2]。

模拟总成冲击过程,在齿轮上施加约束及载荷.对齿轮两轴承面约束,限制齿轮限位扁,在齿面上施加法向力,因总成重合度为2,近似在两齿面上施加法向力。

由图3可以看出,在施加11243N极限法向力后,齿轮最大应力(红色max标记)出现在齿与缩颈连接处,最大应力932MPa(材料屈服强度),达到临界屈服状态.从图中还可看出,其应力梯度分布不均匀。

图3 改进前临界屈服状态

2 分析和讨论

（1）检查材料成分、硬度、机械性能、金相组织合格，未发现异常。

（2）从断口情况可以看出，齿轮受到较大弯曲内应力，在反复交变力作用下应力释放产生疲劳断裂。

（3）从CAE分析结果上来看，齿轮设计强度较低，受力薄弱环节和断裂零部件位置相吻合。

3 改进设计

改进后的模型图如图4所示.缩颈部位直径由13mm提升到15mm,考虑到齿形加工过程中退刀，对过渡部位进行大圆角过渡。

由图4可以看出,在施加15178N极限法向力后,改进后的齿轮最大应力(红色max标记)出现在齿与缩颈连接处,最大应力932MPa(材料屈服强度),达到临界屈服状态。

图4 改进后临界屈服状态

对比分析结果进行统计，如表3所示：

表3 对比分析结果

发现改进后的齿轮强度有较大提高。

4 结语

通过对断裂齿轮的材料成分、、硬度、机械性能、金相组织、强度进行分析，查出了发生断裂的原因，并通过增加该款齿轮齿条动力转向器齿轮薄弱环节的直径，提高齿轮强度，解决断裂问题，在后续的一年产品使用过程中未出现断裂事故，进一步证明了此次改进的有效性。

[1]王昆林.材料工程基础(第2版)[M].北京：清华大学出版社，2009.

[2]李兵，何正嘉，陈雪峰.ANSYSWorkbench设计、仿真与优化[M].北京：清华大学出版社，2010.