某型減速器齒輪齒面擦傷故障分析與改進研究

陳浩宇，李黎，覃秋霞

（中國航發湖南動力機械研究所，湖南 株洲 412002）

某型減速器，在進行地面初步飛行核準試驗過程中，出現金屬屑末報警現象。試驗停車后，通過孔探檢查發現減速器齒面出現擦傷，并對報警后磁性屑末報警器上的金屬屑進行了收集并經能譜分析：金屬屑成分為齒輪鋼。本文針對減速器齒面擦傷問題的原因、機理進行分析和探討，并提出了改進措施。

1 減速器結構簡介

減速器由輸入齒輪組件、輸出齒輪組件、主機匣組件組成，采用飛濺潤滑，通過一級螺旋錐齒輪換向并減速，軸交角為120°，齒數比1.24，輸入、輸出錐齒輪軸均支撐形式為懸臂支承，由2個圓錐滾子軸承背靠背安裝；輸入、輸出齒輪組件與主機匣組件、主機匣安裝腿與車臺（或直升機機身平臺）通過螺紋連接相連。

2 故障現象

故障情況如下：輸入齒輪所有輪齒工作面（凹面）靠近齒根圓角的齒面擦傷：長約22mm，寬約2.5mm，擦傷區氧化層已被磨損掉露出基體色，磨損量（深度）2.4～12.7um，見圖1。

圖1 齒面擦傷情況

輸出齒輪所有輪齒工作面（凸面）靠近齒頂圓角的齒面擦傷：長約22mm，寬2～3mm，擦傷區氧化層已被磨損掉露出基體色，磨損量（深度）4.2～9.8um。

結果表明：

（1）輸入齒輪靠近齒根的下齒面部分出現擦傷；

（2）輸出齒輪靠近齒頂的上齒面部分出現擦傷；

（3）分解時收集的金屬屑為齒輪鋼。

根據金屬屑末能譜分析結果、孔探檢查及分解檢查情況，可以確定引起磁性屑末報警的金屬屑末來源于螺旋錐齒輪副齒面擦傷。

3 故障分析及定位

經詳細分析故障現象并結合分解檢查結果，從設計、制造、裝配、試驗情況等多方面開展了分析與排查，最終確定螺旋錐齒輪副齒面擦傷由輸出齒輪齒頂圓角過小所致。

3.1 故障機理分析

經復查，發現輸出齒輪齒頂圓角小（見表1），磨損區的齒頂圓角實測僅為R0.095mm～R0.111mm（類似于尖邊），遠低于設計值R0.15mm～R0.25mm。

表1 輸出齒輪凸面齒頂倒圓檢查結果

最大功率下，理論齒面接觸應力已達到1692MPa；齒面最大相對滑動速度和齒面溫升分別達到6.90m/s和122℃，且齒面接觸分析顯示理論正確位置下的加載印痕已接近甚至輕微超出齒頂，見圖2。

圖2 最大功率下理論齒面最大接觸應力

盡管理論齒面設計可以滿足使用要求，但考慮加工、裝配誤差及加載變形，理論齒面的加載印痕會出現整體性前（或后）、上（或下）移動，加載印痕存在大范圍超出齒頂的可能。當齒面接觸印痕超出齒頂和影響齒輪副嚙合的加載變形較大時，齒面嚙合狀況可能急劇惡化產生邊緣接觸（接觸應力急劇增大）甚至出現擦傷的不正常嚙合。如果齒頂圓角偏小或者不規則，將進一步增加齒面嚙合異常的風險。

試驗結果表明：承載條件下,實際齒面嚙合時存在一定的嚙合變形，大功率下加載印痕已大范圍超出齒頂，此時，將加大齒面產生擦傷的風險。實際齒面嚙合時，承載條件下齒輪副存在嚙合變形，且輸出齒輪齒頂圓角過?。ㄗⅲ涸搮^域齒面為初始嚙合部位，見表1），致使輸出齒輪齒頂圓角與輸入齒輪下齒面產生邊緣接觸，導致嚙合齒面產生應力集中，接觸應力過高，且加載變形過大導致嚙合齒面擦傷等。

經整機建模分析，發現當輸出齒輪齒頂圓角過小時，初始嚙合的輸出齒輪齒頂圓角與輸入齒輪下齒面接觸會產生應力集中，應力水平較理論分析結果（1692MPa）提高1.5倍左右，見圖3。

圖3 齒面接觸應力仿真分析

因此，在傳遞大功率狀態時，齒面印痕向輸出齒輪大端齒頂擴展，致使輸出齒輪齒頂棱線參與嚙合。而輸出齒輪實際齒頂圓角偏小，齒輪副在大功率狀態下嚙合時會出現邊緣接觸，造成原本嚙合狀況不良的齒面接觸情況進一步惡化：局部接觸應力集中，產生過高的齒面接觸應力（2538 MPa），破壞了齒面潤滑油膜，進而導致齒面擦傷。

3.2 故障定位

根據排查及分析結果，本次故障原因定位為：輸出齒輪齒頂圓角小，在大功率狀態下，齒面嚙合出現邊緣接觸，齒面局部接觸應力過大造成局部潤滑不良，最終產生了齒面擦傷。

4 故障復現

根據故障定位及機理分析結果，安排并完成了故障復現試驗：故障復現試驗用輸出齒輪齒頂圓角R0.073～R0.25mm，齒頂圓角最小值（R0.073mm）與故障輸出齒輪的齒頂圓角值（R0.095mm）相當，齒輪副的齒面狀態與故障件一致，其余零件原樣復裝。故障復現試驗程序參照地面試驗程序編制。試驗后檢查發現，齒輪副出現了與故障齒輪齒面擦傷情況基本一致的擦傷現象，其余未見異常，故障得以復現，見圖4。

圖4 齒輪齒面擦傷情況（故障復現件）

5 改進措施

根據齒面擦傷故障原因分析及定位，后續擬通過如下幾個方面進行改進。

5.1 設計改進

根據齒面擦傷區域的大小、齒面接觸分析結果及以往型號齒頂圓角經驗值，將輸出齒輪齒頂圓角設計值由R0.15～R0.25mm增大至R0.30～R0.50mm，改制后的齒輪副經試驗驗證未出現齒面擦傷。

5.2 工藝改進

工藝方面，規范齒輪齒頂圓角操作，加嚴檢測要求，提出具體的齒頂圓角檢測要求：每個輪齒的工作面齒頂圓角分別在小端、中部及大端進行齒頂圓角輪廓儀跟蹤檢測。

6 試驗驗證

貫徹糾正措施后齒輪副，輸出齒輪齒頂圓角實測為R0.3 ～R0.50mm，開展了地面試驗，除齒輪副外的其余零件均原樣復裝，試驗后分解檢查（含無損檢測、微分測量）無異常，通過了試驗考核。后續裝機的4臺套減速器在后續使用及試驗（包括試驗功率為最大功率的整機疲勞試驗，試驗時間：20.5h）過程中均未出現齒面擦傷的異?，F象，說明故障定位準確，糾正措施有效。

7 結語

通過對某型減速器金屬屑末報警問題的原因分析，確定輸出齒輪齒頂圓角過小是本次故障螺旋錐齒輪副齒面擦傷造成，進而對齒面擦傷進行了分析和排查，找出了故障原因，并采取了改進措施且驗證有效。本次故障為航空減速器螺旋錐齒輪齒面擦傷故障排查提供了參考，同時，也警示設計人員應注重細節設計。