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汽車差速器小齒輪軸的失效分析摘要差速器被用于減少的速度并且提供傳輸運(yùn)動中的力矩。從發(fā)動機(jī)到輪子轉(zhuǎn)動它根據(jù)適當(dāng)?shù)慕嵌仍谲囕v和提供內(nèi)部和外部的車輪轉(zhuǎn)是不同的。小齒輪嚙合和軸在入口處是作為一個(gè)單獨(dú)的部分而制造它們是在不同的形式根據(jù)車輛的類型。鏡子齒輪將工作用這個(gè)前齒輪應(yīng)該熟悉組裝。如有任何故障,他們應(yīng)該被改變成雙。一般來說,在這些系統(tǒng)中有磨損的齒輪。齒輪檢查這方面的研究以有一種軸斷裂作為齒輪被破壞。在這項(xiàng)研究中,失效分析型差動齒輪軸被執(zhí)行。材料力學(xué)特性獲得第一。然后,材料的顯微結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分已經(jīng)決定了。一些顯微研究學(xué)者進(jìn)行疲勞斷裂條件的分析關(guān)鍵詞:差速器;斷裂,動力裝置,齒輪軸一 介紹對于整車的結(jié)構(gòu)體系來說，差速器只是裝在兩個(gè)驅(qū)動半軸之間的一個(gè)小軸承。看似微不足道，但如果沒有它，兩個(gè)驅(qū)動半軸之間以剛性連接，左右車輪的轉(zhuǎn)速保持一致，汽車將只能直線行駛，不能轉(zhuǎn)彎。自從一百年前雷諾汽車公司的創(chuàng)始人路易斯·雷諾發(fā)明出差速器后，它就在汽車上發(fā)揮著巨大作用?，F(xiàn)在每輛汽車上都裝有差速器。 顧名思義，差速器的作用就是使兩側(cè)車輪轉(zhuǎn)速不同。當(dāng)汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)，例如左轉(zhuǎn)彎，彎心在左側(cè)，在相同的時(shí)間內(nèi)右側(cè)車輪要比左側(cè)車輪走過的軌跡要長，所以右側(cè)車輪轉(zhuǎn)的要更快一些。要達(dá)到這個(gè)效果，就得通過差速器來調(diào)節(jié)。差速器由差速器殼、行星齒輪、行星齒輪軸和半軸齒輪等機(jī)械零件組成。 發(fā)動機(jī)的動力經(jīng)變速器從動軸進(jìn)入差速器后，直接驅(qū)動差速器殼，再傳遞到行星齒輪，帶動左、右半軸齒輪，進(jìn)而驅(qū)動車輪，左右半軸的轉(zhuǎn)速之和等于差速器殼轉(zhuǎn)速的兩倍。當(dāng)汽車直線行駛時(shí)，行星齒輪，左、右半軸齒輪和驅(qū)動車輪三者轉(zhuǎn)速相同。當(dāng)轉(zhuǎn)彎時(shí)，由于汽車受力情況發(fā)生變化，反饋在左右半軸上，進(jìn)而破壞差速器原有的平衡，這時(shí)轉(zhuǎn)速重新分配，導(dǎo)致內(nèi)側(cè)車輪轉(zhuǎn)速減小，外側(cè)車輪轉(zhuǎn)速增加，重新達(dá)到平衡狀態(tài)，同時(shí)，汽車完成轉(zhuǎn)彎動作。以下簡介兩種差速器：一． 開式差速器 切諾基的開式差速器的結(jié)構(gòu)，是典型的行星齒輪組結(jié)構(gòu)，只不過太陽輪和外齒圈的齒數(shù)是一樣的。在這套行星齒輪組里，主動輪是行星架，被動輪是兩個(gè)太陽輪。通過行星齒輪組的傳動特性我們知道，如果行星架作為主動軸，兩個(gè)太陽輪的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向是不確定的，甚至兩個(gè)太陽輪的轉(zhuǎn)動方向是相反的。 車輛直行狀態(tài)下，這種差速器的特性就是，給兩個(gè)半軸傳遞的扭矩相同。在一個(gè)驅(qū)動輪懸空情況下，如果傳動軸是勻速轉(zhuǎn)動，有附著力的驅(qū)動輪是沒有驅(qū)動力的，如果傳動軸是加速轉(zhuǎn)動，有附著力的驅(qū)動輪的驅(qū)動力等于懸空車輪的角加速度和轉(zhuǎn)動慣量的乘積。 車輛轉(zhuǎn)彎輪胎不打滑的狀態(tài)下，差速器連接的兩個(gè)半軸的扭矩方向是相反的，給車輛提供向前驅(qū)動力的，只有內(nèi)側(cè)的車輪，行星架和內(nèi)側(cè)的太陽輪之間由等速傳動變成了減速傳動，駕駛感覺就是彎道加速比直道加速更有力。 開式差速器的優(yōu)點(diǎn)就是在鋪裝路面上轉(zhuǎn)行行駛的效果最好。缺點(diǎn)就是在一個(gè)驅(qū)動輪喪失附著力的情況下，另外一個(gè)也沒有驅(qū)動力。 開式差速器的適用范圍是所有鋪裝路面行駛的車輛，前橋驅(qū)動和后橋驅(qū)動都可以安裝。 二． 限滑差速器 限滑差速器用于部分彌補(bǔ)開式差速器在越野路面的傳動缺陷，它是在開式差速器的機(jī)構(gòu)上加以改進(jìn)，在差速器殼的邊齒輪之間增加摩擦片，對應(yīng)于行星齒輪組來講，就是在行星架和太陽輪之間增加了摩擦片，增加太陽輪與行星架自由轉(zhuǎn)動的阻力力矩。 限滑差速器提供的附加扭矩，與摩擦片傳遞的動力和兩驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速差有關(guān)。 在開式差速器結(jié)構(gòu)上改進(jìn)產(chǎn)生的 LSD，不能做到 100％的限滑，因?yàn)橄藁禂?shù)越高，車輛的轉(zhuǎn)向特性越差。 LSD 具備開式差速器的傳動特性和機(jī)械結(jié)構(gòu)。優(yōu)點(diǎn)就是提供一定的限滑力矩，缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)向特性變差，摩擦片壽命有限。 LSD的適用范圍是鋪裝路面和輕度越野路面。通常用于后驅(qū)車。前驅(qū)車一般不裝，因?yàn)長SD會干涉轉(zhuǎn)向，限滑系數(shù)越大，轉(zhuǎn)向越困難。最后一級齒輪（也就是輸出齒輪)可以直接或間接被變速箱齒輪驅(qū)動，當(dāng)發(fā)動機(jī)和傳動裝置結(jié)合在一起形成便成為一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)時(shí)，采用直接驅(qū)動器驅(qū)動。間接驅(qū)動最終驅(qū)動器在車尾處的彈簧連接車身結(jié)構(gòu)或者非懸掛并納入后軸套管中。最后的驅(qū)動齒輪應(yīng)用在傳輸系統(tǒng)中有下列原因：（1）從變速箱和傳動軸驅(qū)動改變 90 度重新定向驅(qū)動（2）提供在發(fā)動機(jī)和驅(qū)動輪之間的永久的齒輪減速在車輛中，差速器是主要部分用于傳送從發(fā)動機(jī)到車輪的運(yùn)動。里面的的輪子轉(zhuǎn)動的少,外面的輪子轉(zhuǎn)動的多就沒有側(cè)向的滑移和猛沖。差速器通常被放置在后橋的中部,由小齒輪嚙合,鏡子齒輪,齒輪箱,兩軸差和兩個(gè)小三角齒輪組成。圖1為差速器的原理圖，圖二為斷裂齒輪軸的技術(shù)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)。通過圖三的照片表明了齒輪軸的斷裂。在差速器,鏡子和小齒輪嚙合中存在的問題,從而提出了適應(yīng)彼此生產(chǎn)過程、相同的序號的算法。他們倆在改變的情況下,會有很多問題。在這些系統(tǒng)中,常見的損傷是,磨損的齒輪[2 - 4]。在這項(xiàng)研究中,對齒輪軸的差速進(jìn)行了檢查。小型巴士是柴油車輛驅(qū)動后橋的，載客能力的有15人。最高的發(fā)動機(jī)為每分鐘4000轉(zhuǎn)，功率為90匹，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到每分鐘1600轉(zhuǎn)時(shí)，輸出最大扭距力為205頓米。它有手操作的傳動箱系統(tǒng)(5前面,1后部)。而導(dǎo)致的破壞和起動小巴停在紅綠燈處。這個(gè)差速器、輸入軸攜帶的有小齒輪軸斷了。已經(jīng)進(jìn)行了很多不同的研究來確定類型和可能的原因損壞的地方。這些是:研究確定了軸的材料;實(shí)驗(yàn)確定了研究微觀結(jié)構(gòu);研究相關(guān)的斷裂表面。有一個(gè)更近的照片和斷裂區(qū)骨折的表面。2 實(shí)驗(yàn)過程在標(biāo)本中提取的軸在受到各種試驗(yàn)包括硬度測試、金相和掃描電鏡以及化學(xué)成分的測定。所有的測試都是在室溫條件下進(jìn)行的。2.1 化工和冶金分析化學(xué)分析裂隙微分材料進(jìn)行了用分光計(jì)。材料的化學(xué)成分是表1規(guī)定的數(shù)值。化學(xué)成分表明,該材料是一種低合金鋼板8620類型。淬硬鋼是非常低的,因?yàn)閷Φ吞嫉谋壤?。因?通過增加表面積碳比例的操作會使表面面積會變硬,高度耐用,及內(nèi)部變的越加的堅(jiān)硬。這是這種鋼是受到普遍采用的機(jī)械部分做扭轉(zhuǎn)和彎曲。高阻表面上是獲得耐力值和高疲勞,可獲得壓殘余應(yīng)力使表面更加困難[5 - 7]。在那些的合金元素分布主要取決于炭素鋼的復(fù)合，化學(xué)和碳化依賴于每個(gè)元素。鎳溶于鐵素體中后形成碳化物比鐵有更少的趨勢。硅結(jié)合是有限的程度與氧氣存在于非金屬夾雜物在鋼形成溶于鐵素體,但除此之外。大部分的錳添加到碳素鋼溶于鐵素體。鉻,它有一個(gè)趨勢比鐵稍微要強(qiáng)的元素,它的劃分于鐵素體和碳化物合金階段。鉻的分布依賴于碳量的百分比，如果其他更強(qiáng)的元素,如鈦和銅都沒有。鎢、鉬結(jié)合碳形成碳化物，如果有充足的碳的百分比，現(xiàn)在和如果其他更強(qiáng)的元素,如鈦和銅都沒有。錳和鎳的在低溫下回形成共熔體。初步的微結(jié)構(gòu)檢測失敗的微分資料被顯示在圖5?？梢钥闯?該材料具有的一種混合結(jié)構(gòu),其中一些鐵氧體存在或許由于緩慢降溫和高硅含量。高硅含量在這種類型的鋼提高熱處理敏感性進(jìn)行改進(jìn)的屈服強(qiáng)度和最大應(yīng)力,沒有任何減少延性[9] 如果不能倒置的顯微結(jié)構(gòu)由淬火馬氏體,減少了疲勞極限是觀察到的現(xiàn)象。在一些領(lǐng)域與碳相圖5(a)。有滲碳結(jié)構(gòu)鋼過渡邊界在圖5(b)和(c)顯示核基質(zhì)附著區(qū),無需滲碳結(jié)構(gòu)鋼矩陣。從圖片5可以看出該材料是一種有鐵素體存在的混合結(jié)構(gòu)。這種高硅含量的鋼可以改善鋼熱處理時(shí)易受損的狀態(tài)，同時(shí)也可以在沒有任何延展性減小的情況下改善屈服和最大應(yīng)力。如果顯微結(jié)構(gòu)的不能夠通過淬火使馬氏體得到轉(zhuǎn)換，也會較少它的疲勞界限。在圖片5a中顯示的是碳含量階段,圖片5b中顯示的都是滲碳劑的過度界限，圖片c中顯示的都是在沒有滲碳劑的模型。2.2 硬度測試硬度測量是執(zhí)行的一種 MetTest-HT 型計(jì)算機(jī)集成硬度計(jì)。載荷 1471:中等硬度值的內(nèi)部地區(qū)獲得 43 個(gè)錯(cuò)誤。取得了微硬度的測量方法來確定硬度值的機(jī)會沿截面由于硬化由于滲碳結(jié)構(gòu)鋼表面積。維氏硬度測量的結(jié)果 4.903 載荷作用下的 N 是說明表 2。2.3 檢測斷裂在本章中直接地給出了觀察和掃描電鏡(SEM)片與斷裂表面。裂紋開始因?yàn)橐粋€(gè)可能的問題引起的底部軸切口完全被打破。裂紋開始在外層,在經(jīng)過若干時(shí)間它不斷超越本中心只有很小一部分離開了。和這部分?jǐn)嗔遂o態(tài)的突然開始在飛行器在紅綠燈處。為特征的疲勞斷裂,有兩個(gè)地區(qū)斷裂表面。這些是光滑的表面由裂紋擴(kuò)展和粗糙的表面由突然斷裂。這兩個(gè)區(qū)域可以被清晰地看到整個(gè)問題作為圖4中。疲勞裂紋擴(kuò)展的區(qū)域包括了80%以上的斷面。軸功向下彎曲、扭轉(zhuǎn)和軸力的影響取決于反復(fù)使用一個(gè)地方。在斷裂層的表面上一個(gè)快尖銳的切片。因?yàn)檫@個(gè)原因,所以斷定了該區(qū)域的應(yīng)力集中系數(shù)值。Kt = 2.4價(jià)值(彎刀和張力)和Kt = 1.9%的價(jià)值(扭力)已獲得根據(jù)計(jì)算的結(jié)果。這些都是相當(dāng)高的價(jià)值為區(qū)域暴露在聯(lián)合加載中。這些觀察和分析表明,該塊斷了的影響下,以較低的公稱應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力集中[10]所聚集的媒介。掃描電鏡顯示,這也發(fā)生在斷裂韌性的方式(圖6)。有一些切變裂痕在裂紋擴(kuò)展區(qū),這是一種膠塑性剪切變形。圖7顯示貝殼狀裂紋擴(kuò)展的一個(gè)標(biāo)志。任何兩線之間的距離是近133納米。3．結(jié)論在這項(xiàng)研究中分析了出現(xiàn)故障的差速器小齒輪軸，這個(gè)小齒輪軸是 AISI8620 的經(jīng)過滲碳，淬火和回火的熱處理程序的低滲碳鋼。通過力學(xué)性能，微觀結(jié)構(gòu)特性，化學(xué)結(jié)構(gòu)組成以及金屬斷面的顯微結(jié)構(gòu)觀察以確定組件可能斷裂的原因。以下部分是本次試驗(yàn)的結(jié)論：經(jīng)過疲勞程序在組合撓度，轉(zhuǎn)矩和軸向力變大時(shí)，斷裂的區(qū)域發(fā)生在應(yīng)力集中較高的地方，斷裂的裂紋一開始可能是在材料的臨界狀態(tài)位置，該斷裂在發(fā)生一定程度的延展。通過在關(guān)鍵部位減少壓應(yīng)力集中能夠很容易的避免以后可能出現(xiàn)的故障。參考文獻(xiàn)1. 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