汽车转向机小齿轮断齿失效分析

2018-05-18匡立文杨卫祥

汽车实用技术 2018年7期

匡立文，杨卫祥

（博世华域转向系统有限公司，上海 310000）

引言

小齿轮是汽车转向机重要的安全零件之一。小齿轮与齿条啮合，将方向盘的手力扭矩转换为齿条的横向移动力，从而推动左右两侧拉杆并连接轮胎左右转向。反之，轮胎受路面冲击，也会通过拉杆传递给齿条，并通过小齿轮与齿条的啮合，对小齿轮施加逆向冲击力。在设计、生产小齿轮时，应保证小齿轮的强度，避免受过载冲击发生断齿失效，引起转向机故障和造成车辆驾驶事故。本文通过对汽车转向机小齿轮断齿进行失效分析，找到引起断齿失效的原因，并提出改进措施，避免小齿轮断齿现象的发生，同时为类似齿轮断齿分析提供相关借鉴。

1 概述

汽车转向机在做模拟路面逆向冲击的横向加载试验时，发生小齿轮断齿失效现象。小齿轮材料为ZF208，斜齿轮，齿部表面经感应淬火和回火处理，表面硬度要求为56HRC～61HRC，齿根部区域感应淬火深度要求0.7mm～1.7mm。该小齿轮共有9齿，试验后其中1个齿从齿根处发生断裂，断齿宏观形貌见图1所示。为查明该小齿轮断齿原因，对其进行检验和分析。

2 检验和分析

2.1 宏观检测和断裂起始位置确定

断口处宏观形貌见图 2，断齿发生在感应淬火段近端头侧。断面在纵向两侧向齿顶扩展，断面呈灰色，弧形对称下凹，中央顶部近齿根（A向）相对较细，近图下侧（B向）相对粗糙，并可见由上侧A向朝下侧B向及左右的放射状花纹，表明A向（圆圈区域）为断裂起始区。

图2 小齿轮断口宏观形貌Fig.2 Macrostructure appearance of fracture

2.2 扫描电镜和X射线能谱分析

对断齿进行清洗和干燥，根据JB/T 6842-1993标准[1]，在扫描电镜中进行精细观察和分析。图3是断裂起始位置的SEM形貌，可清晰地看到裂纹交汇于照片底部的圆圈处，对该处进一步放大形貌如图4所示。图4中主要为穿晶断裂，并存在了大量的二次裂纹，二次裂纹表现为沿晶界扩展，这是典型的脆性断裂特征，表明该处承受了超过材料承载能力的载荷而发生了过载断裂。在裂纹起始处可看到大量细小的韧窝，如图5所示，这是塑性变形的特征。同时可看到有较明显的塑变滑移线，进一步说明在裂纹起始处发生了塑性变形。按照该零件表面硬度要求，该处为硬化组织，不应发生塑性变形，若发生了塑性变形，通常是由于该处的强度不足所致。

图3 断裂起始位置SEM形貌Fig.3 SEM pattern of fracture beginning position

图4 断裂起始位置精细形貌Fig.4 Microstructure of fracture beginning position

图4中同时可见条状夹杂物分布，根据GB/T 17359-2012标准[2]，对上述条状夹杂物进行X射线能谱分析，除可见主量元素Fe峰线外，还可见S，Mn元素峰线，表明夹杂为硫化物，能谱曲线见图6，元素参考含量见表1。硫化物的分布沿着齿向，靠近齿根部位存在，破坏了钢基体的均匀性和连续性，对材料的强度和疲劳性能影响较大。夹杂物的存在, 还会在该处造成应力集中,容易成为疲劳源，将大大削弱该部位的抗拉强度[3]。图7是断裂起始处及附近的硫化物夹杂。