重卡副箱拨叉早期磨损失效分析及改善初探

2021-06-19黄明兴刘刚赵林锋浙江正昌锻造股份有限公司

锻造与冲压 2021年11期

文／黄明兴，刘刚，赵林锋·浙江正昌锻造股份有限公司

重型卡车的变速箱通常由主箱和副箱组成，副箱拨叉安装在后副箱中，用于控制高低挡位的转换。副箱拨叉是重型卡车变速箱的重要零部件之一，对变速箱的质量起着关键作用。本文选取了典型的副箱拨叉失效件进行失效分析、原因查找及改善，从而提高了整个变速箱的寿命。

理化检验

宏观检验

图1 失效件拨叉脚工作表面高温氧化变色宏观形貌

图2 失效件拨叉脚工作表面裂纹及磨损沟槽宏观形貌

失效件拨叉脚工作表面宏观形貌见图1～图3，在三个失效件的拨叉脚工作表面均可观察到严重的磨损痕迹，其中，图1中的工作面可以观察到表面磨损处出现氧化变色现象，这是高速摩擦导致的局部高温引起表面氧化变色；图2中的工作面可以观察到垂直于同步环旋转方向的裂纹以及与同步环旋转方向一致的磨损沟槽，其裂纹分布符合磨削裂纹的特征；图3中甚至可以观察到工作面局部材料脱落形成的宏观坑洞。

图3 失效件拨叉脚工作表面裂纹及坑洞宏观形貌

显微检验

在图3处取样进行显微硬度及显微组织分析。

⑴显微硬度检验。

在氧化变色表面用洛氏硬度计检查表面硬度，硬度值为58.8～60HRC，仍符合技术要求(表面硬度不小于58HRC，硬化层深1.02～2.54mm)；而磨损严重处用洛氏硬度计检查，已无法准确测量。采用显微维氏硬度分别对两处进行硬化层深测量，如图4所示。图4中硬度曲线1为氧化变色处硬化层硬度分布情况，从曲线中可以看到次表层的最高硬度大于680HV，有效硬化层深度有1.8mm，但是低头严重，说明表面由于磨损出现了严重的退火现象；硬度曲线2为严重磨损处硬化层硬度分布情况，次表层硬度大于520HV，硬化层仍有0.9mm，同样也是低头严重。

图4 硬化层深度曲线

⑵硬化层形状检验。

对试样抛光后采用5%的硝酸酒精进行腐蚀，低倍观察看两个位置硬化层形状如图5和图6所示，从图中可以看出，硬化层的深度和范围都是比较理想的。

⑶裂纹处显微检查。

将裂纹处取样进行抛光，于40倍显微镜下观察，裂纹垂直于表面，裂纹中未发现材料缺陷，箭头方向为齿环旋转方向，可以看到表层金属摩擦变形的方向，如图7所示。

图5 沿叉脚纵向硬化层形状

图6 叉脚横向硬化层形状

⑷坑洞处显微检查。

在坑洞处取样进行抛光，用5%硝酸酒精腐蚀后，在100倍显微镜下可以观察到与坑洞底部相邻侧均存在与工作表面平行的水平裂纹，在表层未脱落处有垂直裂纹与水平裂纹贯通，当裂纹贯通后，在振动条件下，表层金属就可能脱落，在叉脚表面形成坑洞。

失效原因分析

图8 坑洞处裂纹形态

图9 坑右侧部分裂纹形态

图10 坑左侧部分裂纹形态

副箱拨叉在工作时是由双H阀控制的气缸推动拨叉轴带动副箱拨叉移动，并通过滑动卡接在同步齿套环槽中的叉脚推动同步齿套及变速齿轮轴向移动与不同齿数的齿轮啮合从而实现换挡，当变速齿轮啮合后同步齿套及变速齿轮在发动机的带动下均处于高速转动的状态，此时副箱拨叉在自锁装置的作用下保持固定状态，这样同步齿套环套与副箱拨叉之间就一直处于高速摩擦状态。

根据前面的宏观和微观检验结合副箱拨叉的工作原理，可以知道副箱拨叉磨损失效直接原因是高速摩擦状态下，叉脚工作面出现高温退火现象使表面硬度降低，导致耐磨性能下降，并在持续工作中进一步恶化，出现严重磨损；在长期工作状态和非工作状态的不断交替作用下，叉脚表面反复升温降温，导致叉脚表面出现密布的垂直于同步齿套旋转方向的磨削裂纹；同时，由于叉脚表面的反复温度变化导致表层金属不断受到温度及组织变化引起的拉应力作用，出现平行于叉脚表面的应力裂纹，当这两种裂纹贯通后，在振动条件下，表层金属就可能脱落，在叉脚表面形成坑洞。

叉脚工作面摩擦温升过高通常有两方面的原因，一是气压过高使气缸的推动力过大，叉脚表面与同步齿套间的压力过大；二是润滑不良，不能有效形成压力油膜，使叉脚表面与同步齿套间处于半干摩擦甚至干摩擦状态。从根本上来说，气缸推动力过大引发压力过大导致润滑油膜被破坏。

在润滑理论中雷诺认为油进入收敛的狭窄通道时，其流速增加；由于油具有粘性，油膜内产生的压力可以举起转动的轴，使轴和轴承完全分开。可见要形成能平衡外载的压力油膜，就要有收敛油楔，两个运动表面有一定的相对速度，油具有一定的粘性。反之就不会形成流体动压润滑。

压力油膜主要由两种效应作用来支承载荷，一种是挤压效应，如图11所示。在拨叉工作面还没有压到同步环工作面上时，同步环可以将润滑油从油池中带上来，使同步环上粘上一层润滑油，当拨叉工作面压到同步环上时，在两个平面间就夹有了一层油膜，油膜受挤压后两端破裂，被挤压的流体从两表面之间的缝隙中流出。这时由于壁面摩擦阻力的存在，流体中就产生压力，直至油膜内压力与外载荷平衡时，拨叉脚表面才停止向同步环表面运动，这时被挤压的流体膜叫做挤压膜，靠这种挤压作用产生承载能力的效应就叫挤压效应，当挤压力过大或没有持续的润滑油供给时，这种挤压膜就会被破坏。

图11 挤压效应成膜示意图

图12 楔效应成膜示意图

另一种是楔效应(动压效应)，如图12所示。成一定夹角的两相对运动平面形成收敛油楔，下表面沿x方向以速度υ运动，在进口大、出口小的条件下，油膜沿物体运动方向逐渐变薄，但是流体是不可压缩的和连续的，在油膜内必会产生一定压力，沿x方向形成压力梯度以减少入口润滑油的流入，增大润滑油的出口流量，从而保持流过各截面的流量相等，从而在油膜内形成压力以支承外载荷。这种靠油膜形状产生压力的效应就是楔效应(也叫动压效应)。显然作为拨叉与同步环之间形成的油膜，其油膜内的压力是由挤压效应和楔效应共同作用的，即润滑油一经流入楔形通道就必然受到挤压作用。

现有副箱拨叉的叉脚处结构如图13所示，其拨叉脚工作面两端(A、B)均为平面，且与立面几乎为锐边相接，不能很好的形成楔形通道。同步齿环旋转时从油池中带上的润滑油，一方面不容易进入叉脚下工作面与同步齿套之间，特别是由于机加工误差大或装配不当使叉脚表面与同步齿套环槽平行度不良时，甚至会出现叉脚表面端口将润滑油从同步齿套上刮落现象(图14)，动压效应被减弱，另一方面，由于流入的润滑油量减少，油膜厚度不足，挤压效应同时也被减弱，于是润滑效果下降，特别是当气缸推力也大时，几种不良效应的叠加导致油膜被破坏，使摩擦副工作情况恶化，两工作面温度升高进一步加剧了润滑油膜的损坏，于是出现异常磨损。

图13 副箱拨叉前叉脚部分结构示意图

图14 拨叉脚部表面与同步齿套不平行示意图

副箱拨叉改善

针对上述分析，对叉脚结构进行如图15所示的改进，即分别在拨叉脚工作面两端(A、B)设计一导油斜面与工作面衔接，导油斜面的倾斜角度设计在20°～25°之间，导油斜面与工作面之间改成圆弧平滑过渡，在副箱拨叉工作时叉脚工作面与同步齿套接触后在叉脚工作面双端均有一楔形开口。这种结构使同步齿套在正向或反向高速旋转时，润滑油均容易进入摩擦面之间，由于楔效应的作用使流体动压润滑油膜容易形成并稳定存在，将摩擦面之间隔开，减少异常磨损的发生，从而减少异常磨损失效。图16为改进后副箱拨叉的三维模型图。