摘 要:在某裝載機驅動橋大螺旋齒輪的開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn),齒輪在工作一段時間后出現(xiàn)早期斷 齒失效的情況.通過宏觀檢驗、斷口分析、化學成分分析、硬度以及金相檢驗等方法,對大螺旋齒輪 斷齒失效原因進行了分析.結果表明:齒根圓角曲率半徑和嚙合斑點尺寸過小以及輪齒心部硬度 較低,導致齒輪根部應力集中作用加強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,對大螺旋齒輪進行了相應的改進,并取得了良好的效果.

關鍵詞:大螺旋齒輪;斷齒;圓角曲率半徑;硬度;嚙合斑點;應力集中;疲勞斷裂

中圖分類號:TH１３ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０６Ｇ０４５３Ｇ０４

在某裝載機驅動橋大螺旋齒輪開發(fā)過程中的裝 機試驗時發(fā)現(xiàn),齒輪在工作２００~１３００h時出現(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. 齒輪的技術要求參照JB/T６０４１－２０１３«輪式工程 機械驅動橋 主減速器齒輪副 技術條件»: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 械 熱處理件通用技術條件»規(guī)定進行.為查明該大 螺旋齒輪斷齒失效原因,筆者對其進行了檢驗和分 析,并給出了改進措施.

１ 理化檢驗

１．１ 宏觀檢驗

對失效的大螺旋齒輪輪齒斷口形貌進行統(tǒng)計, 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.對失效大螺旋齒輪進行磁粉探傷,結果如 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 長度的方向將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,利用掃描電鏡進行斷口微 觀形貌觀察,結果如圖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.由掃描電鏡觀察結果還可以看到:在 靠近齒根的一側,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.一般認為,疲勞弧線的法線方向即 為該點疲勞裂紋的擴展方向[１].因此可以判斷疲勞 裂紋在齒根處是沿齒寬方向擴展的,在輪齒內(nèi)部則 是沿齒厚方向擴展的.

１．３ 化學成分分析

隨機選?。硞€失效大螺旋齒輪對其取樣進行化 學成分分析,結果如表１所示.可見各個失效齒輪 的化學成分均符合 GB/T３０７７－１９９９«合金結構鋼» 對２０CrMnTi鋼成分的技術要求.

１．４ 硬度及金相檢驗

對上述隨機選取的３個失效大螺旋齒輪的表面 硬度和心部硬度進行測試,結果如表２所示.可以 看到失效大螺旋齒輪的表面硬度符合JB/T６０４１－ ２０１３技術要求,而心部硬度則偏低或剛剛滿足標準 要求的下限.分別對失效齒輪顯微組織中的碳化物級別、馬氏體＋殘余奧氏體級別以及心部鐵素體級 別進行評級,結果如表２所示.可以看到顯微組織 中的碳化物級別、馬氏體＋殘余奧氏體級別以及心 部鐵素體級別均符合 GB/T８５３９－２０００«齒輪材料 及熱處理質量檢驗的一般規(guī)定»技術要求.

２ 齒輪受力分析

根據(jù)齒輪的工作特點,在其傳遞功率和運動過 程中,齒輪在力的作用下會在齒根處產(chǎn)生彎曲應力, 在齒面處產(chǎn)生接觸應力,在齒輪相互運動時產(chǎn)生摩 擦力.彎曲應力會造成輪齒的變形和折斷,接觸應 力會造成輪齒表面疲勞剝落,摩擦力會導致輪齒的 磨損.根據(jù)大螺旋齒輪失效的形式和位置可以判斷 其是在彎曲應力作用下導致的疲勞失效.齒輪運行 時受到交變的彎曲應力作用,當彎曲應力大于齒輪 的彎曲疲勞極限時就會導致疲勞裂紋在齒根附近萌 生并擴展,最終導致齒輪斷齒失效.

在計算齒輪彎曲應力時,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 行過程中的受力情況如圖６所示.輪齒在運行過程 中受交變的彎曲應力作用,在齒根附近形成疲勞裂 紋,隨著運動過程的持續(xù)進行,疲勞裂紋會逐漸擴 展,并導致輪齒斷裂失效.由此輪齒運行過程中產(chǎn)生的應力可表示為[３Ｇ４]

式中:σF 為齒根彎曲應力;Fn 為工作圓周力;b 為齒 寬;m 為模數(shù);K 為載荷系數(shù);T１ 為額定轉矩;d１ 為小齒輪直徑;YS 為齒根應力集中系數(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 曲應力的主要因素,即輪齒的彎曲疲勞強度主要決 定于齒根圓角曲率半徑.從理化檢驗的結果可以看 到,齒輪心部硬度偏低,低的心部硬度會降低輪齒的 疲勞彎曲強度.研究發(fā)現(xiàn),在齒輪工作過程中,如果 嚙合斑點較小,會導致偏載的情況出現(xiàn),這也會降低 輪齒的彎曲疲勞強度[５Ｇ８].

利用投影儀將齒輪根部圓角放大,測得大螺旋 齒輪大端和小端的齒根圓角曲率半徑均在２．２mm 左右.研究認為,如果齒輪齒根圓角曲率半徑太小, 在齒輪受力時會在齒根處產(chǎn)生應力集中,進而導致 疲勞裂紋的萌生[９Ｇ１０].研究發(fā)現(xiàn),當齒根圓角曲率 半徑由０．７５mm 增大到１．５mm 時,齒輪的彎曲疲 勞壽命約相當于原來的３倍[８].根據(jù)裂紋的起始位 置可以判斷導致該大螺旋齒輪輪齒疲勞壽命較低的 主要原因為齒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 的應力集中,導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明顯地影響齒 輪的疲勞性能[１１].隨著心部硬度的增加,其對齒輪 硬化層的支撐作用也會增加,從而提高齒輪的疲勞 強度.也就是說,在技術標準要求的范圍內(nèi),心部硬 度的增加會提高齒輪的疲勞壽命.而較低的心部硬 度則會削弱其對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的硬度試驗結果可以看 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.

對大螺旋齒輪工作過程中的嚙合斑點尺寸進 行測 定,結 果 如 圖 ７ 所 示.根 據(jù) GB/T１３９２４－ ２００８«漸 開 線 圓 柱 齒 輪 精 度 檢 驗 細 則»和 GB/Z １８６２０．４－２００８«圓 柱 齒 輪 檢 驗 實 施 規(guī) 范 第 ４ 部 分:表面結 構 和 輪 齒 接 觸 斑 點 的 檢 驗»的 規(guī) 定,不 同精度等級的齒輪要求的嚙合斑點是不同的.失 效大螺旋齒輪的精度等級為７~８級,根據(jù)上述國 標的要求,嚙合斑點應在齒面的中部,長度不小于 全齒寬 的 ７０％,高 度 不 小 于 全 齒 高 的 ６０％. 而 圖７中大螺旋齒輪實際的嚙合斑點尺寸在齒寬方 向明顯小于標準技術要求.

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力作用下,由 于齒輪的齒根圓角曲率半徑和嚙合斑點尺寸較小, 造成了齒根處的應力集中,并且由于輪齒心部硬度 偏低,對表面硬化層的支撐作用弱,最終導致裂紋在 輪齒凸面中部偏小端齒根附近萌生.隨著彎曲應力 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展.裂紋在向小端擴展時,會 向齒頂方向翹起,導致其擴展過程的阻力逐漸減小, 使得裂紋迅速擴展到小端端部.裂紋在向大端擴展 時,擴展阻力相對較大,擴展速度小于小端的,這就導致向小端擴展的裂紋已經(jīng)擴展至端部時,而向大 端擴展的裂紋還未擴展至端部,這也就使得齒輪折 斷時剩余了大端瞬斷區(qū)內(nèi)來不及擴展的一段.

４ 改進措施

(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,降低齒根處的應力集中程度.

(２)對齒輪進行檢驗,保證大螺旋齒輪以及與 其配合的錐齒輪加工合格,并且嚙合斑點尺寸符合 相關標準技術要求.

(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,進而 提高齒輪心部對表層的支撐作用.

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

５ 應用效果

根據(jù)上述改進措施,以及文獻[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,適當調(diào)整齒輪輪齒齒形并增加 強力噴丸工藝.改進后,經(jīng)過裝機試驗跟蹤,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 結論

(１)裝載機驅動橋大螺旋齒輪出現(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 尺寸較小以及齒輪心部硬度偏低,引起齒根處的應 力集中作用加強,從而在裝機試驗過程中的彎曲應 力作用下,于齒根處萌生疲勞裂紋并擴展,導致齒輪 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、適當調(diào)整齒形 并增加強力噴丸工藝可以減小齒根處的應力集中, 提高輪齒的彎曲疲勞強度.

(３)改進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——材料與測試網(wǎng)