摘要:在某装载机驱动桥大螺旋齿轮的开发过程中发现,齿轮在工作一段时间后出现早期断齿失效的情况.通过宏观检验、断口分析、化学成分分析、硬度以及金相检验等方法,对大螺旋齿轮断齿失效原因进行了分析.结果表明:齿根圆角曲率半径和啮合斑点尺寸过小以及轮齿心部硬度较低,导致齿轮根部应力集中作用加强是该大螺旋齿轮轮齿过早疲劳断裂失效的主要原因.最后根据断齿失效原因,对大螺旋齿轮进行了相应的改进,并取得了良好的效果.关键词:大螺旋齿轮;断齿;圆角曲率半径;硬度;啮合斑点;应力集中;疲劳断裂中图分类号:TH１３文献标志码:B文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０６Ｇ０４５３Ｇ０４在某装载机驱动桥大螺旋齿轮开发过程中的装机试验时发现,齿轮在工作２００~１３００h时出现断齿失效的情况.该大螺旋齿轮的内圆直径为２１０mm,外圆直径为３８０mm.失效大螺旋齿轮的宏观形貌如图１所示,齿轮材料为２０CrMnTi钢.齿轮的技术要求参照JB/T６０４１－２０１３?轮式工程机械驱动桥主减速器齿轮副技术条件?:零件经淬火后表面硬度为５８~６４HRC,心部硬度为３３~４５HRC.齿轮热处理按JB/T５９４４－１９９１?工程机械热处理件通用技术条件?规定进行.为查明该大螺旋齿轮断齿失效原因,笔者对其进行了检验和分析,并给出了改进措施.１理化检验１．１宏观检验对失效的大螺旋齿轮轮齿断口形貌进行统计,如图２所示,可以看到失效轮齿都是从齿根处产生折断,且在齿轮大端均有残留的一段未折断,断口均为凹型.对失效大螺旋齿轮进行磁粉探伤,结果如图３所示,可以看到在有些未崩断的轮齿凸面根部存在平行于齿根的裂纹,并且裂纹的形态与图２中折断轮齿断面中的断裂线相同,均是在小端处略高,而在大端处偏低,这也再次表明裂纹起源于齿根处.为了获得更加确切的裂纹起裂位置,在垂直于裂纹长度的方向将失效大螺旋齿轮剖开,经研磨、抛光后观察可以看到,裂纹起源于齿根圆角与齿面的过渡位置处,如图４所示.１．２断口分析从断齿上切取试样,利用扫描电镜进行断口微观形貌观察,结果如图５所示.可以看到在断口上存在很多疲劳弧线.疲劳弧线是疲劳断口最基本的特征[１],因此可以判定大螺旋齿轮的失效模式为弯曲疲劳断裂.由扫描电镜观察结果还可以看到:在靠近齿根的一侧,疲劳弧线的方向基本垂直于齿宽方向;而在轮齿的中间位置,疲劳弧线的方向基本平行于齿宽方向.一般认为,疲劳弧线的法线方向即为该点疲劳裂纹的扩展方向[１].因此可以判断疲劳裂纹在齿根处是沿齿宽方向扩展的,在轮齿内部则是沿齿厚方向扩展的.１．３化学成分分析随机选取３个失效大螺旋齿轮对其取样进行化学成分分析,结果如表１所示.可见各个失效齿轮的化学成分均符合GB/T３０７７－１９９９?合金结构钢?对２０CrMnTi钢成分的技术要求.１．４硬度及金相检验对上述随机选取的３个失效大螺旋齿轮的表面硬度和心部硬度进行测试,结果如表２所示.可以看到失效大螺旋齿轮的表面硬度符合JB/T６０４１－２０１３技术要求,而心部硬度则偏低或刚刚满足标准要求的下限.分别对失效齿轮显微组织中的碳化物级别、马氏体＋残余奥氏体级别以及心部铁素体级别进行评级,结果如表２所示.可以看到显微组织中的碳化物级别、马氏体＋残余奥氏体级别以及心部铁素体级别均符合GB/T８５３９－２０００?齿轮材料及热处理质量检验的一般规定?技术要求.２齿轮受力分析根据齿轮的工作特点,在其传递功率和运动过程中,齿轮在力的作用下会在齿根处产生弯曲应力,在齿面处产生接触应力,在齿轮相互运动时产生摩擦力.弯曲应力会造成轮齿的变形和折断,接触应力会造成轮齿表面疲劳剥落,摩擦力会导致轮齿的磨损.根据大螺旋齿轮失效的形式和位置可以判断其是在弯曲应力作用下导致的疲劳失效.齿轮运行时受到交变的弯曲应力作用,当弯曲应力大于齿轮的弯曲疲劳极限时就会导致疲劳裂纹在齿根附近萌生并扩展,最终导致齿轮断齿失效.在计算齿轮弯曲应力时,由于齿轮的刚度较大,一般将轮齿看作是宽度为齿宽b的悬臂梁[２],其运行过程中的受力情况如图６所示.轮齿在运行过程中受交变的弯曲应力作用,在齿根附近形成疲劳裂纹,随着运动过程的持续进行,疲劳裂纹会逐渐扩展,并导致轮齿断裂失效.由此轮齿运行过程中产生的应力可表示为[３Ｇ４]式中:σF为齿根弯曲应力;Fn为工作圆周力;b为齿宽;m为模数;K为载荷系数;T１为额定转矩;d１为小齿轮直径;YS为齿根应力集中系数;L０为齿形参数;qs为齿根圆角参数;s为齿厚;l为齿高;ρF为齿根圆角曲率半径.通过式(１)~(４)可以看到,在齿轮其他参数不变的情况下,齿根弯曲应力σF主要决定于齿根圆角曲率半径ρF.３综合分析从以上齿轮受力分析可以得出,在齿轮其他参数不变的情况下,齿根圆角曲率半径是影响齿根弯曲应力的主要因素,即轮齿的弯曲疲劳强度主要决定于齿根圆角曲率半径.从理化检验的结果可以看到,齿轮心部硬度偏低,低的心部硬度会降低轮齿的疲劳弯曲强度.研究发现,在齿轮工作过程中,如果啮合斑点较小,会导致偏载的情况出现,这也会降低轮齿的弯曲疲劳强度[５Ｇ８].利用投影仪将齿轮根部圆角放大,测得大螺旋齿轮大端和小端的齿根圆角曲率半径均在２．２mm左右.研究认为,如果齿轮齿根圆角曲率半径太小,在齿轮受力时会在齿根处产生应力集中,进而导致疲劳裂纹的萌生[９Ｇ１０].研究发现,当齿根圆角曲率半径由０．７５mm增大到１．５mm时,齿轮的弯曲疲劳寿命约相当于原来的３倍[８].根据裂纹的起始位置可以判断导致该大螺旋齿轮轮齿疲劳寿命较低的主要原因为齿根圆角曲率半径太小.过小的齿根圆角曲率半径增大了大螺旋齿轮在工作过程中齿根处的应力集中,导致其弯曲疲劳寿命明显降低.齿轮心部的显微组织和硬度也会明显地影响齿轮的疲劳性能[１１].随着心部硬度的增加,其对齿轮硬化层的支撑作用也会增加,从而提高齿轮的疲劳强度.也就是说,在技术标准要求的范围内,心部硬度的增加会提高齿轮的疲劳寿命.而较低的心部硬度则会削弱其对齿轮表面硬化层的支撑作用,降低齿轮的疲劳寿命[２].由表２的硬度试验结果可以看到,齿轮心部的硬度偏低,因此需要采用控制淬透性的材料或改变热处理工艺以提高齿轮的心部硬度.对大螺旋齿轮工作过程中的啮合斑点尺寸进行测定,结果如图７所示.根据GB/T１３９２４－２００８?渐开线圆柱齿轮精度检验细则?和GB/Z１８６２０．４－２００８?圆柱齿轮检验实施规范第４部分:表面结构和轮齿接触斑点的检验?的规定,不同精度等级的齿轮要求的啮合斑点是不同的.失效大螺旋齿轮的精度等级为７~８级,根据上述国标的要求,啮合斑点应在齿面的中部,长度不小于全齿宽的７０％,高度不小于全齿高的６０％.而图７中大螺旋齿轮实际的啮合斑点尺寸在齿宽方向明显小于标准技术要求.由上述分析可以得出大螺旋齿轮的断裂过程如下:大螺旋齿轮在工作过程中的弯曲应力作用下,由于齿轮的齿根圆角曲率半径和啮合斑点尺寸较小,造成了齿根处的应力集中,并且由于轮齿心部硬度偏低,对表面硬化层的支撑作用弱,最终导致裂纹在轮齿凸面中部偏小端齿根附近萌生.随着弯曲应力的持续作用,萌生后的裂纹以裂纹源为中心向轮齿的两端及轮齿心部扩展.裂纹在向小端扩展时,会向齿顶方向翘起,导致其扩展过程的阻力逐渐减小,使得裂纹迅速扩展到小端端部.裂纹在向大端扩展时,扩展阻力相对较大,扩展速度小于小端的,这就导致向小端扩展的裂纹已经扩展至端部时,而向大端扩展的裂纹还未扩展至端部,这也就使得齿轮折断时剩余了大端瞬断区内来不及扩展的一段.４改进措施(１)更换齿顶圆角更大的齿轮加工刀具,以增大齿根圆角曲率半径,降低齿根处的应力集中程度.(２)对齿轮进行检验,保证大螺旋齿轮以及与其配合的锥齿轮加工合格,并且啮合斑点尺寸符合相关标准技术要求.(３)建议采用淬透性良好的２０CrMnTiH钢制造大螺旋齿轮,以获得稳定且合格的心部硬度,进而提高齿轮心部对表层的支撑作用.(４)在齿轮生产过程中增加强力喷丸工艺以提高齿轮的弯曲疲劳强度.５应用效果根据上述改进措施,以及文献[８]中的建议,将大螺旋齿轮的齿根圆角曲率半径增大到３．５mm,并将齿轮材料由原来的２０CrMnTi钢换为淬透性良好的２０CrMnTiH钢,适当调整齿轮轮齿齿形并增加强力喷丸工艺.改进后,经过装机试验跟踪,大螺旋齿轮的使用寿命已超过规定的寿命(２０００h),未再发生早期断齿失效情况.６结论(１)装载机驱动桥大螺旋齿轮出现早期断齿失效的情况主要是由于齿根圆角曲率半径和啮合斑点尺寸较小以及齿轮心部硬度偏低,引起齿根处的应力集中作用加强,从而在装机试验过程中的弯曲应力作用下,于齿根处萌生疲劳裂纹并扩展,导致齿轮断齿失效.(２)通过更换齿顶圆角更大的齿轮加工刀具、改用淬透性良好的２０CrMnTiH钢、适当调整齿形并增加强力喷丸工艺可以减小齿根处的应力集中,提高轮齿的弯曲疲劳强度.(３)改进后的大螺旋齿轮的使用寿命已超过规定的寿命(２０００h),未再发生早期断齿失效情况.参考文献:[１]陶春虎,何玉怀,刘新灵．失效分析新技术[M]．北京:国防工业出版社,２０１１．[２]郭志德．齿轮的失效分析[M]．北京:机械工业出版社,１９９２．[３]周彦伟,梁桂明．齿形系数YFa与齿根应力集中系数YSa的推导与计算[J]．河南科技大学学报(自然科学版),１９８６(３):１Ｇ７．[４]郑立新,张峰,李满良,等．基于COSMOSWorks的齿轮轮齿模拟试样齿根圆角应力分析[C]∥２０１０中国汽车工程学会汽车材料分会第１７届学术年会．鞍山:[出版者不详],２０１０．[５]李莹,张立新．某特种车辆斜齿轮轮齿断裂分析[J]．金属热处理,２００７,３２(z１):９１Ｇ９４．[６]罗太景．齿轮传动中的齿面接触斑点分析与质量控制[J]．机械传动,２００９,３３(３),１１４Ｇ１１７,１３１．[７]吴佳峻．１８CrNiMo７Ｇ６钢齿轮轴开裂失效分析[J]．理化检验(物理分册),２０１７,５３(９),６７１Ｇ６７４．[８]宋亚虎,孙胜伟,刘铁山,等．磁弹法在线检测渗碳齿轮的磨削烧伤[J]．理化检验(物理分册),２０１５(１２):８５３Ｇ８５７,８６６．[９]朱维斗．M２Ｇ５０CrVA双金属锯条崩齿分析[J]．理化检验(物理分册),１９９５,３１(３):５０Ｇ５１．[１０]黄利银,李金莲．双圆弧齿轮齿根曲率半径对齿根应力的影响[J]．机械设计与研究,２０１１,２７(３):５６Ｇ５９,６３．[１１]蒋孝煜,张思浦．提高齿轮弯曲强度的有效措施[J]．齿轮,１９８５(４):３２Ｇ３４,１０．文章来源——材料与测试网
转载请注明：http://www.aierlanlan.com/rzdk/9024.html
