汽車齒輪斷裂失效分析

郝海艷+尹亞杰

摘 要：斷裂齒輪樣本出自軋鋼機、采煤機、牽引機車、鼓風機、船用發動機、汽車摩托車、起重機、飛機、工程機械、采油機械、礦井提升機和大型拋物天線等多種設備中的圓柱直齒輪、斜齒輪、齒輪軸和錐齒輪等，設備和齒輪受載類型有一定代表性。本文首先分析了汽車齒輪斷裂失效的主要原因，然后分析了斷裂的機理，最后筆者給出相應的結論。

關鍵詞：汽車齒輪；

齒輪是常用機械傳動件，齒輪斷裂輕則必須停機維修，重則危及設備安全甚至造成重大事故。齒輪斷裂后簡單地更換并不能排除齒輪再次斷裂的風險，需要分析齒輪致斷因素并加以改進。從個體看，齒輪致斷原因千差萬別，但斷裂樣本數較大時，發現了一些共性特征。在集合意義上，存在一個齒輪致斷因素全集，尋求全集的意義在于從設計開始建立齒輪的生命期質量概念，通過遍歷集合中的元素全面審查和主動改善齒輪質量，一旦發生斷裂，又能為診斷其斷因和設計改進方法提供支持。齒輪生命期按時序可分為設計、制造、使用與維護、失效報廢等幾個階段。為了避免早斷失效，需要確定齒輪生命期中哪些因素影響齒輪斷裂。齒輪斷裂有的是單一因素致斷，有的是一個或多個階段多因素組合致斷。

一、主要因素分析

經過筆者對于現實數據的收集和整理，齒輪斷裂樣本中，疲勞斷裂超過60%。既為疲勞斷裂，一般存在裂紋源。齒輪的結構設計缺陷如截面形狀突變、厚薄不勻、鍵槽、油孔等設計不當容易產生裂紋，而齒頂或齒根處的過小的過渡圓角，既容易在熱處理過程中產生裂紋，又容易在工作載荷作用下產生應力集中，致其裂紋擴展直至斷裂。齒輪斷裂實例證明齒根裂紋形成對過小的過渡圓弧半徑具有較強敏感性。配合中的過盈量過大對齒輪斷裂的影響齒輪裝配過盈量過大，就要求較大的熱裝膨脹量，因此需要更高的加熱溫度，而過高的加熱溫度可能與材料的熱處理溫度相沖突，還造成齒輪過度膨脹，裝配后在齒根處留下較大的裝配拉應力。又因為加熱方式很難保證齒輪均勻加熱，導致齒輪受熱不均，又會惡化齒根處的裝配拉應力分布狀況。

齒輪設計中，往往按常規計算齒輪齒面接觸強度和齒根彎曲強度，容易忽略多因素產生的應力對整個齒輪產生的疊加影響，如過盈裝配產生的切向拉應力、傳遞轉距時產生的彎曲拉應力、次表層熱處理的殘余拉應力、磨削應力以及銷槽造成的應力集中諸應力綜合作用。某發動機正時齒輪雖滿足一般設計強度要求，卻因上述應力綜合作用致齒輪軸向斷裂。 除了直接影響齒輪斷裂，也有間接因素影響齒輪斷裂，如某鼓風機葉輪與軸采用過盈配合，裝配時采用加熱葉輪、自然冷卻工藝，轉子在冷卻過程中產生了軸伸彎曲變形，運轉中引起齒輪載荷不均和沖擊致最終斷裂。

二、斷裂機理分析

1、齒根齒表齒端硬度低對齒輪斷裂的影響：熱處理通過齒輪表面和心部硬度、硬度梯度及組織均勻性影響其力學性能。較低的齒表硬度降低了齒輪表面接觸疲勞強度，在交變應力作用下，嚙合面逐漸磨損，形成磨損嚴重的齒面和表面麻點甚至剝落坑。這時，齒輪傳動重合度減小，相鄰齒輪承受傳動負載增大，傳動時產生沖擊，平穩性下降。實驗結果表明，嚙合面磨損后的齒根最大拉應力顯著增大，輪齒處于危險狀態，容易斷裂。齒根處硬度較低則降低齒輪的彎曲疲勞強度。2、滲碳層深度及厚薄不均對齒輪斷裂的影響：齒面硬化層深度不足和齒心部硬度低，在接觸載荷作用下，較薄的滲碳硬化層難被較軟的心部支承而被壓碎，硬化層產生剝落和齒體塑性變形都使運動間隙增大，產生沖擊載荷。沖擊載荷使齒根產生的疲勞裂紋加速擴展，致有效承載截面減小，最后不能承受工作載荷而突然斷齒。從表層到心部硬度梯度太陡，在表層和心部的界面上會產生較強的殘余拉應力。當工作應力與殘余拉應力共同作用時容易在此界面上引起裂紋并因疲勞而擴展。過陡的硬度梯度不但加速了裂紋在過渡區內的形成，還會引起深層剝落，加速齒輪的早期斷裂。3、因為在相同成分和冷卻條件下，這樣的組織具有較高的強度、塑性、沖擊韌性和低的脆性轉變溫度，而組織中晶粒大小不勻，承受載荷時會造成變形不均勻，塑性和抗力下降，易使齒輪過早斷裂。帶狀組織易使鋼的力學性能呈各向異性，影響鋼的橫向塑性，因此降低鋼的沖擊韌性和斷面收縮率。而鋼中一旦出現網狀碳化物，不僅降低鋼的塑性和韌性，還將增大淬火開裂傾向。實踐證明，對存在粗大馬氏體的齒輪進行磨削加工時，極易出現磨削裂紋，裝機使用后成為裂紋源。4、齒輪或軸與軸承配合誤差較大時，容易造成齒輪偏載和沖擊。齒輪偏載導致嚙合區域不正常，既減小嚙合面積，使單位面積承受載荷顯著增大；又使嚙合位置偏移，即最大受力點偏移，造成齒輪本身受力不均勻，偏載處往往因受力集中導致齒輪斷裂。例如，某曲線齒錐齒輪裝配錯位的軸向位移在沿節錐母線和沿齒高兩個方向影響齒輪嚙合，沿節錐母線方向對齒輪嚙合影響更大。這種錯位嚙合產生沖擊和偏載，最終使齒輪早期斷裂。

結論 作者認為，齒輪使用過程中存在過載現象，表面滲碳層在傳動嚙合過程中，使得齒輪表面壓應力過高，分度圓處或齒根處易于滲碳層破碎或裂紋，在斷裂后齒面表層仍能找出明顯的宏觀裂紋，心部組織較為均勻且符合國標要求，但其心部存在較多量鐵素體，使其硬度值接近標準下限，硬度相對較低的心部不能承受隨之而來過高載荷而發生斷裂。斷裂位置多發生于齒輪分度圓處，斷面較平緩，有疲勞線存在，這是由于反復壓應力下產生疲勞裂紋，最終引起齒輪的斷裂。汽車齒輪工作階段發生疲勞斷裂，齒輪嚙合傳動過程中存在過載現象，表面滲碳層在傳動嚙合過程中壓應力過高，表面滲碳層發生破碎剝落和微裂紋，這是由于齒輪心部存在多邊形鐵素體，使得心部硬度值偏低，導致分度圓處疲勞強度降低，致使裂紋擴展而斷裂。

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