摘 要:在某裝載機(jī)驅(qū)動(dòng)橋大螺旋齒輪的開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn),齒輪在工作一段時(shí)間后出現(xiàn)早期斷 齒失效的情況.通過宏觀檢驗(yàn)、斷口分析、化學(xué)成分分析、硬度以及金相檢驗(yàn)等方法,對(duì)大螺旋齒輪 斷齒失效原因進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:齒根圓角曲率半徑和嚙合斑點(diǎn)尺寸過小以及輪齒心部硬度 較低,導(dǎo)致齒輪根部應(yīng)力集中作用加強(qiáng)是該大螺旋齒輪輪齒過早疲勞斷裂失效的主要原因.最后 根據(jù)斷齒失效原因,對(duì)大螺旋齒輪進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn),并取得了良好的效果. 

關(guān)鍵詞:大螺旋齒輪;斷齒;圓角曲率半徑;硬度;嚙合斑點(diǎn);應(yīng)力集中;疲勞斷裂

中圖分類號(hào):TH１３ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１８)０６Ｇ０４５３Ｇ０４ 

在某裝載機(jī)驅(qū)動(dòng)橋大螺旋齒輪開發(fā)過程中的裝 機(jī)試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn),齒輪在工作２００~１３００h時(shí)出現(xiàn)斷 齒 失 效 的 情 況. 該 大 螺 旋 齒 輪 的 內(nèi) 圓 直 徑 為 ２１０mm,外圓直徑為３８０mm.失效大螺旋齒輪的 宏觀形貌如圖 １ 所示,齒輪材料為 ２０CrMnTi鋼. 齒輪的技術(shù)要求參照J(rèn)B/T６０４１－２０１３«輪式工程 機(jī)械驅(qū)動(dòng)橋 主減速器齒輪副 技術(shù)條件»:零件經(jīng)淬 火后表 面 硬 度 為 ５８~６４ HRC,心 部 硬 度 為 ３３~ ４５HRC.齒輪熱處理按JB/T５９４４－１９９１«工程機(jī) 械 熱處理件通用技術(shù)條件»規(guī)定進(jìn)行.為查明該大 螺旋齒輪斷齒失效原因,筆者對(duì)其進(jìn)行了檢驗(yàn)和分 析,并給出了改進(jìn)措施.

１ 理化檢驗(yàn) 

１．１ 宏觀檢驗(yàn) 

對(duì)失效的大螺旋齒輪輪齒斷口形貌進(jìn)行統(tǒng)計(jì), 如圖２所示,可以看到失效輪齒都是從齒根處產(chǎn)生 折斷,且在齒輪大端均有殘留的一段未折斷,斷口均 為凹型.對(duì)失效大螺旋齒輪進(jìn)行磁粉探傷,結(jié)果如 圖３所示,可以看到在有些未崩斷的輪齒凸面根部 存在平行于齒根的裂紋,并且裂紋的形態(tài)與圖２中 折斷輪齒斷面中的斷裂線相同,均是在小端處略高, 而在大端處偏低,這也再次表明裂紋起源于齒根處. 為了獲得更加確切的裂紋起裂位置,在垂直于裂紋 長(zhǎng)度的方向?qū)?/span>失效大螺旋齒輪剖開,經(jīng)研磨、拋光后 觀察可以看到,裂紋起源于齒根圓角與齒面的過渡 位置處,如圖４所示. 

１．２ 斷口分析

從斷齒上切取試樣,利用掃描電鏡進(jìn)行斷口微 觀形貌觀察,結(jié)果如圖５所示.可以看到在斷口上 存在很多疲勞弧線.疲勞弧線是疲勞斷口最基本的 特征[１],因此可以判定大螺旋齒輪的失效模式為彎 曲疲勞斷裂.由掃描電鏡觀察結(jié)果還可以看到:在 靠近齒根的一側(cè),疲勞弧線的方向基本垂直于齒寬 方向;而在輪齒的中間位置,疲勞弧線的方向基本平 行于齒寬方向.一般認(rèn)為,疲勞弧線的法線方向即 為該點(diǎn)疲勞裂紋的擴(kuò)展方向[１].因此可以判斷疲勞 裂紋在齒根處是沿齒寬方向擴(kuò)展的,在輪齒內(nèi)部則 是沿齒厚方向擴(kuò)展的.

１．３ 化學(xué)成分分析 

隨機(jī)選?。硞€(gè)失效大螺旋齒輪對(duì)其取樣進(jìn)行化 學(xué)成分分析,結(jié)果如表１所示.可見各個(gè)失效齒輪 的化學(xué)成分均符合 GB/T３０７７－１９９９«合金結(jié)構(gòu)鋼» 對(duì)２０CrMnTi鋼成分的技術(shù)要求. 

１．４ 硬度及金相檢驗(yàn) 

對(duì)上述隨機(jī)選取的３個(gè)失效大螺旋齒輪的表面 硬度和心部硬度進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果如表２所示.可以 看到失效大螺旋齒輪的表面硬度符合JB/T６０４１－ ２０１３技術(shù)要求,而心部硬度則偏低或剛剛滿足標(biāo)準(zhǔn) 要求的下限.分別對(duì)失效齒輪顯微組織中的碳化物級(jí)別、馬氏體＋殘余奧氏體級(jí)別以及心部鐵素體級(jí) 別進(jìn)行評(píng)級(jí),結(jié)果如表２所示.可以看到顯微組織 中的碳化物級(jí)別、馬氏體＋殘余奧氏體級(jí)別以及心 部鐵素體級(jí)別均符合 GB/T８５３９－２０００«齒輪材料 及熱處理質(zhì)量檢驗(yàn)的一般規(guī)定»技術(shù)要求.

２ 齒輪受力分析 

根據(jù)齒輪的工作特點(diǎn),在其傳遞功率和運(yùn)動(dòng)過 程中,齒輪在力的作用下會(huì)在齒根處產(chǎn)生彎曲應(yīng)力, 在齒面處產(chǎn)生接觸應(yīng)力,在齒輪相互運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生摩 擦力.彎曲應(yīng)力會(huì)造成輪齒的變形和折斷,接觸應(yīng) 力會(huì)造成輪齒表面疲勞剝落,摩擦力會(huì)導(dǎo)致輪齒的 磨損.根據(jù)大螺旋齒輪失效的形式和位置可以判斷 其是在彎曲應(yīng)力作用下導(dǎo)致的疲勞失效.齒輪運(yùn)行 時(shí)受到交變的彎曲應(yīng)力作用,當(dāng)彎曲應(yīng)力大于齒輪 的彎曲疲勞極限時(shí)就會(huì)導(dǎo)致疲勞裂紋在齒根附近萌 生并擴(kuò)展,最終導(dǎo)致齒輪斷齒失效.

在計(jì)算齒輪彎曲應(yīng)力時(shí),由于齒輪的剛度較大, 一般將輪齒看作是寬度為齒寬b 的懸臂梁[２],其運(yùn) 行過程中的受力情況如圖６所示.輪齒在運(yùn)行過程 中受交變的彎曲應(yīng)力作用,在齒根附近形成疲勞裂 紋,隨著運(yùn)動(dòng)過程的持續(xù)進(jìn)行,疲勞裂紋會(huì)逐漸擴(kuò) 展,并導(dǎo)致輪齒斷裂失效.由此輪齒運(yùn)行過程中產(chǎn)生的應(yīng)力可表示為[３Ｇ４]

式中:σF 為齒根彎曲應(yīng)力;Fn 為工作圓周力;b 為齒 寬;m 為模數(shù);K 為載荷系數(shù);T１ 為額定轉(zhuǎn)矩;d１ 為小齒輪直徑;YS 為齒根應(yīng)力集中系數(shù);L０ 為齒形 參數(shù);qs 為齒根圓角參數(shù);s為齒厚;l為齒高;ρF 為 齒根圓角曲率半徑.

通過式(１)~(４)可以看到,在齒輪其他參數(shù)不 變的情況下,齒根彎曲應(yīng)力σF 主要決定于齒根圓角 曲率半徑ρF. 

３ 綜合分析

從以上齒輪受力分析可以得出,在齒輪其他參 數(shù)不變的情況下,齒根圓角曲率半徑是影響齒根彎 曲應(yīng)力的主要因素,即輪齒的彎曲疲勞強(qiáng)度主要決 定于齒根圓角曲率半徑.從理化檢驗(yàn)的結(jié)果可以看 到,齒輪心部硬度偏低,低的心部硬度會(huì)降低輪齒的 疲勞彎曲強(qiáng)度.研究發(fā)現(xiàn),在齒輪工作過程中,如果 嚙合斑點(diǎn)較小,會(huì)導(dǎo)致偏載的情況出現(xiàn),這也會(huì)降低 輪齒的彎曲疲勞強(qiáng)度[５Ｇ８].

利用投影儀將齒輪根部圓角放大,測(cè)得大螺旋 齒輪大端和小端的齒根圓角曲率半徑均在２．２mm 左右.研究認(rèn)為,如果齒輪齒根圓角曲率半徑太小, 在齒輪受力時(shí)會(huì)在齒根處產(chǎn)生應(yīng)力集中,進(jìn)而導(dǎo)致 疲勞裂紋的萌生[９Ｇ１０].研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)齒根圓角曲率 半徑由０．７５mm 增大到１．５mm 時(shí),齒輪的彎曲疲 勞壽命約相當(dāng)于原來的３倍[８].根據(jù)裂紋的起始位 置可以判斷導(dǎo)致該大螺旋齒輪輪齒疲勞壽命較低的 主要原因?yàn)辇X根圓角曲率半徑太小.過小的齒根圓角曲率半徑增大了大螺旋齒輪在工作過程中齒根處 的應(yīng)力集中,導(dǎo)致其彎曲疲勞壽命明顯降低.

齒輪心部的顯微組織和硬度也會(huì)明顯地影響齒 輪的疲勞性能[１１].隨著心部硬度的增加,其對(duì)齒輪 硬化層的支撐作用也會(huì)增加,從而提高齒輪的疲勞 強(qiáng)度.也就是說,在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi),心部硬 度的增加會(huì)提高齒輪的疲勞壽命.而較低的心部硬 度則會(huì)削弱其對(duì)齒輪表面硬化層的支撐作用,降低 齒輪的疲勞壽命[２].由表２的硬度試驗(yàn)結(jié)果可以看 到,齒輪心部的硬度偏低,因此需要采用控制淬透性 的材料或改變熱處理工藝以提高齒輪的心部硬度.

對(duì)大螺旋齒輪工作過程中的嚙合斑點(diǎn)尺寸進(jìn) 行測(cè) 定,結(jié) 果 如 圖 ７ 所 示.根 據(jù) GB/T１３９２４－ ２００８«漸 開 線 圓 柱 齒 輪 精 度 檢 驗(yàn) 細(xì) 則»和 GB/Z １８６２０．４－２００８«圓 柱 齒 輪 檢 驗(yàn) 實(shí) 施 規(guī) 范 第 ４ 部 分:表面結(jié) 構(gòu) 和 輪 齒 接 觸 斑 點(diǎn) 的 檢 驗(yàn)»的 規(guī) 定,不 同精度等級(jí)的齒輪要求的嚙合斑點(diǎn)是不同的.失 效大螺旋齒輪的精度等級(jí)為７~８級(jí),根據(jù)上述國 標(biāo)的要求,嚙合斑點(diǎn)應(yīng)在齒面的中部,長(zhǎng)度不小于 全齒寬 的 ７０％,高 度 不 小 于 全 齒 高 的 ６０％. 而 圖７中大螺旋齒輪實(shí)際的嚙合斑點(diǎn)尺寸在齒寬方 向明顯小于標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求. 

由上述分析可以得出大螺旋齒輪的斷裂過程如 下:大螺旋齒輪在工作過程中的彎曲應(yīng)力作用下,由 于齒輪的齒根圓角曲率半徑和嚙合斑點(diǎn)尺寸較小, 造成了齒根處的應(yīng)力集中,并且由于輪齒心部硬度 偏低,對(duì)表面硬化層的支撐作用弱,最終導(dǎo)致裂紋在 輪齒凸面中部偏小端齒根附近萌生.隨著彎曲應(yīng)力 的持續(xù)作用,萌生后的裂紋以裂紋源為中心向輪齒 的兩端及輪齒心部擴(kuò)展.裂紋在向小端擴(kuò)展時(shí),會(huì) 向齒頂方向翹起,導(dǎo)致其擴(kuò)展過程的阻力逐漸減小, 使得裂紋迅速擴(kuò)展到小端端部.裂紋在向大端擴(kuò)展 時(shí),擴(kuò)展阻力相對(duì)較大,擴(kuò)展速度小于小端的,這就導(dǎo)致向小端擴(kuò)展的裂紋已經(jīng)擴(kuò)展至端部時(shí),而向大 端擴(kuò)展的裂紋還未擴(kuò)展至端部,這也就使得齒輪折 斷時(shí)剩余了大端瞬斷區(qū)內(nèi)來不及擴(kuò)展的一段.

４ 改進(jìn)措施

(１)更換齒頂圓角更大的齒輪加工刀具,以增 大齒根圓角曲率半徑,降低齒根處的應(yīng)力集中程度. 

(２)對(duì)齒輪進(jìn)行檢驗(yàn),保證大螺旋齒輪以及與 其配合的錐齒輪加工合格,并且嚙合斑點(diǎn)尺寸符合 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求. 

(３)建議采用淬透性良好的２０CrMnTiH 鋼制 造大螺旋齒輪,以獲得穩(wěn)定且合格的心部硬度,進(jìn)而 提高齒輪心部對(duì)表層的支撐作用. 

(４)在齒輪生產(chǎn)過程中增加強(qiáng)力噴丸工藝以提 高齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度.

５ 應(yīng)用效果 

根據(jù)上述改進(jìn)措施,以及文獻(xiàn)[８]中的建議,將 大螺旋齒輪的齒根圓角曲率半徑增大到３．５mm,并 將齒輪材料由原來的２０CrMnTi鋼換為淬透性良好 的２０CrMnTiH 鋼,適當(dāng)調(diào)整齒輪輪齒齒形并增加 強(qiáng)力噴丸工藝.改進(jìn)后,經(jīng)過裝機(jī)試驗(yàn)跟蹤,大螺旋 齒輪的使用壽命已超過規(guī)定的壽命(２０００h),未再 發(fā)生早期斷齒失效情況. 

６ 結(jié)論 

(１)裝載機(jī)驅(qū)動(dòng)橋大螺旋齒輪出現(xiàn)早期斷齒失 效的情況主要是由于齒根圓角曲率半徑和嚙合斑點(diǎn) 尺寸較小以及齒輪心部硬度偏低,引起齒根處的應(yīng) 力集中作用加強(qiáng),從而在裝機(jī)試驗(yàn)過程中的彎曲應(yīng) 力作用下,于齒根處萌生疲勞裂紋并擴(kuò)展,導(dǎo)致齒輪 斷齒失效. 

(２)通過更換齒頂圓角更大的齒輪加工刀具、 改用淬透性良好的２０CrMnTiH 鋼、適當(dāng)調(diào)整齒形 并增加強(qiáng)力噴丸工藝可以減小齒根處的應(yīng)力集中, 提高輪齒的彎曲疲勞強(qiáng)度. 

(３)改進(jìn)后的大螺旋齒輪的使用壽命已超過規(guī) 定的壽命(２０００h),未再發(fā)生早期斷齒失效情況.

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文章來源——材料與測(cè)試網(wǎng)