分享：装载机驱动桥大螺旋齿轮断齿失效分析及改进措施

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 ５８~６４ HRC,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/Z １８６２０．４－２００８«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.

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文章来源——材料与测试网