出口大功率發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪輪系失效分析

東風(fēng)汽車(chē)有限公司刃量具廠技術(shù)開(kāi)發(fā)部（湖北十堰 442002）楊 鍇

我廠為某國(guó)外客戶供應(yīng)某型19L大功率發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪，2013年度下半年售后服務(wù)部門(mén)接到外方通知稱一組發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪發(fā)生失效，輪系由10個(gè)齒輪共同組成，其中的7個(gè)部件都有不同程度的損傷，且各有特點(diǎn)。該輪系中各個(gè)齒輪模數(shù)為2.5，材料成分執(zhí)行東風(fēng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/DFLCM1431－2007《汽車(chē)齒輪滲碳用鋼》中的20CrMnTiH鋼的要求。熱處理技術(shù)要求為滲碳淬火，馬氏體（或殘留奧氏體）級(jí)別≤3級(jí)，碳化物級(jí)別≤3級(jí)。表面硬度57～62HRC，心部硬度25～45HRC，有效硬化層深0.41～1.00mm。應(yīng)我廠要求，外方直接從損壞的發(fā)動(dòng)機(jī)上拆解獲得該批7個(gè)齒輪失效件并寄送至我廠復(fù)檢，每個(gè)齒輪的具體信息如表1所示。

1.取樣過(guò)程

根據(jù)輪系中的每個(gè)齒輪的失效模式和受損程度選取代表性部位切取試樣，并對(duì)試樣做好標(biāo)識(shí)，圖1是各齒輪取樣照片。

表1 輪系中各齒輪失效形態(tài)具體信息

圖1 輪系中各齒輪取樣照片

2.樣件檢驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于輪系中的各個(gè)齒輪的殘件中提取到的樣品，使用瑞士產(chǎn)ARL 3460 OES型光譜直讀分析儀對(duì)齒輪材料的化學(xué)成分進(jìn)行分析，檢測(cè)結(jié)果如表2所示。用HR-150A型洛氏硬度計(jì)依據(jù)GB/T 230－1991《金屬洛氏硬度實(shí)驗(yàn)方法》測(cè)試齒的表面硬度和心部硬度，用恒一F-700型維氏顯微硬度計(jì)依據(jù)GB9450－2005《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測(cè)定和校核》用9.8N（1kg）載荷進(jìn)行硬度梯度以及有效硬化層深的測(cè)量，按照國(guó)標(biāo)檢測(cè)以550HV處作為有效硬化層深的判定界限，對(duì)于輪系中的各個(gè)齒輪的測(cè)試結(jié)果如表3所示。

將硬度梯度測(cè)試結(jié)果用曲線圖形式予以表達(dá)，輪系中的各個(gè)齒輪的硬度梯度圖分別如圖2所示，縱坐標(biāo)為維氏硬度，橫坐標(biāo)為測(cè)試點(diǎn)離開(kāi)齒節(jié)圓部位表面的距離，虛線表示齒左側(cè)節(jié)圓線處的硬度隨著距離變化的趨勢(shì)，實(shí)線表示齒右側(cè)節(jié)圓線處的硬度隨著距離變化的趨勢(shì)。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13298－1991《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》，將輪系中的各個(gè)失效齒輪的殘齒制樣磨拋好，用4%硝酸酒精腐蝕，并使用NEOPHOT32型金相顯微鏡對(duì)于殘齒進(jìn)行微觀組織檢測(cè)。檢測(cè)條件為31℃，濕度52%RH。節(jié)圓處殘留奧氏體評(píng)級(jí)結(jié)果和齒尖角處碳化物評(píng)級(jí)結(jié)果如表4所示，節(jié)圓處殘留奧氏體金相照片和齒尖角處碳化物金相照片分別如圖3和圖4所示。

3.試樣檢驗(yàn)結(jié)果分析

（1）與熱處理技術(shù)要求進(jìn)行對(duì)比知所有超出要求的項(xiàng)目有：凸輪軸齒輪表面硬度54.0HRC，空壓機(jī)齒輪有效硬化層深1.20mm，凸輪軸齒輪有效硬化層深0.56～0.57mm。

（2）從各齒輪左右側(cè)節(jié)圓處硬度梯度圖可以直觀看出轉(zhuǎn)向油泵齒輪、曲軸齒輪、高壓油泵惰齒輪、凸輪軸齒輪、高壓燃油泵齒輪熱處理后的機(jī)械加工工藝可確保使其得到近似對(duì)稱研磨的齒面。而空壓機(jī)齒輪、凸輪軸惰齒輪在該方面要略差一些。

4.分析討論

總體來(lái)講，對(duì)于失效齒輪的分析，應(yīng)該對(duì)失效后的輪系甚至整機(jī)進(jìn)行全面的檢查與分析判斷，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況取樣分析，判斷并查找到肇事件非常重要。

表2 輪系中各齒輪化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%)

表3 輪系中各齒輪表面硬度、心部硬度和左右側(cè)節(jié)圓處有效硬化層深測(cè)試結(jié)果

圖2 輪系中各齒輪左右側(cè)節(jié)圓處硬度梯度

圖3 輪系中各齒輪節(jié)圓處殘留奧氏體金相照片

表4 輪系中各齒輪節(jié)圓處殘留奧氏體和齒尖角處碳化物評(píng)級(jí)結(jié)果

圖4 輪系中各齒輪齒尖角處碳化物金相照片

檢驗(yàn)結(jié)果不符合熱處理技術(shù)要求的是空壓機(jī)齒輪和凸輪軸齒輪試樣。雖然對(duì)于樣件的符合性檢驗(yàn)工作已經(jīng)基本完成，但是根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果還需要對(duì)于整個(gè)輪系做全面的分析，盡可能的還原齒輪失效的整個(gè)過(guò)程。對(duì)于手里僅有的7個(gè)失效件來(lái)講，準(zhǔn)確推斷整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)及相關(guān)機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程當(dāng)中哪個(gè)部件是肇事件是非常困難的，但還可從失效齒輪的宏觀特征、失效模式以及獲取的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)并結(jié)合齒輪嚙合的關(guān)系做一些探討。

據(jù)了解，出口大功率發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪在箱體內(nèi)的運(yùn)行方式如圖5所示。曲軸齒輪依靠軸傳遞的動(dòng)力進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，然后分別帶動(dòng)高壓油泵惰齒輪和高壓燃油泵齒輪組成的齒輪組、凸輪軸惰齒輪和凸輪軸齒輪組成的齒輪組以及帶動(dòng)其下方的齒輪組同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)。顯然曲軸齒輪在整個(gè)輪系中的位置非常重要，下面根據(jù)得到的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)輪系中的各個(gè)齒輪逐一進(jìn)行分析。

（1）轉(zhuǎn)向油泵齒輪 在所有送檢的受損齒輪中損傷程度最輕，局部除了輕微磕傷外基本完好，各項(xiàng)檢驗(yàn)結(jié)果也符合技術(shù)要求，顯然不是關(guān)注的重點(diǎn)。

（2）空壓機(jī)齒輪 齒面磨損打齒4個(gè)齒根異常接觸啃傷，斷齒斷口為一次性斷口，顯然是在齒輪輪系的正常運(yùn)轉(zhuǎn)受到破壞后被連帶損壞，其斷齒和有效硬化層深超差有一定的影響。但就其發(fā)展過(guò)程而言，應(yīng)當(dāng)排除是肇事件的可能。同時(shí)空壓機(jī)齒輪與轉(zhuǎn)向油泵齒輪都不在大功率發(fā)動(dòng)機(jī)箱體內(nèi)，因此在接下來(lái)的分析中將不作重點(diǎn)分析。

圖5 出口大功率發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪輪系

（3）曲軸齒輪 齒中部斷齒3個(gè)、齒頂多處啃傷、齒節(jié)圓接觸疲勞引起的磨損膠合點(diǎn)蝕。在整個(gè)大功率發(fā)動(dòng)機(jī)輪系中該齒輪工作強(qiáng)度最大，受力最復(fù)雜。曲軸齒輪同時(shí)向三組齒輪傳遞動(dòng)力，其他任何一個(gè)齒輪的損壞都會(huì)對(duì)曲軸齒輪產(chǎn)生影響。從齒輪的斷齒部位觀察發(fā)現(xiàn)，3個(gè)斷齒都位于節(jié)圓附近，而且斷口平齊。單就斷口分析而言，這種斷口類(lèi)似于雙向彎曲疲勞造成的斷口，從各項(xiàng)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)均能夠滿足技術(shù)要求來(lái)看，正常情況下的齒輪是能夠滿足使用要求的。造成齒輪在節(jié)圓處斷齒的原因一般存在兩個(gè)原因：第一個(gè)原因是齒節(jié)圓接觸疲勞，從曲軸齒輪的節(jié)圓處可以看到整個(gè)齒輪的一側(cè)都有接觸疲勞引起的磨損膠合點(diǎn)蝕，這種缺陷可以進(jìn)一步的擴(kuò)展從而形成裂紋導(dǎo)致齒輪斷齒；第二個(gè)原因是齒輪在運(yùn)行的過(guò)程當(dāng)中，如果節(jié)圓處不斷地受到了雙向彎曲應(yīng)力的持續(xù)作用（曲軸齒輪所處部位是滿足這種條件的），各種夾雜物或夾渣物就可以在節(jié)圓內(nèi)部形成裂紋源然后向表面擴(kuò)展。這種裂紋的最大特點(diǎn)是會(huì)在斷口的中部形成一個(gè)平臺(tái)，從曲軸齒輪的斷口上明顯可以看到這種特征。這種理論最早是由美國(guó)失效分析專家論證的并在國(guó)外已經(jīng)逐漸被認(rèn)可。持有這種觀點(diǎn)的外國(guó)專家認(rèn)為在一組輪系中，受力最復(fù)雜和相對(duì)薄弱的齒輪容易出現(xiàn)這種斷口，解決的方法是對(duì)于齒輪的強(qiáng)度提出更高的要求，選擇純凈度更高的材料等措施以提高輪系整體的使用壽命。

（4）高壓油泵惰齒輪 由曲軸齒輪傳遞動(dòng)力同時(shí)與高壓燃油泵齒輪嚙合。齒輪損壞形式為齒面磨損齒頂啃傷，各項(xiàng)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)符合技術(shù)要求?？袀禽喯凳軗p后期造成的，可以排除是肇事件的可能。

（5）凸輪軸齒輪 有節(jié)圓接觸疲勞引起的磨損膠合，個(gè)別齒頂啃傷，齒輪表面呈現(xiàn)出有回火色，齒根部可見(jiàn)潤(rùn)滑油碳化附著，由此可以判斷出齒輪運(yùn)行時(shí)的溫度是比較高的。凸輪軸齒輪的位置位于整個(gè)輪系的最上部，齒輪潤(rùn)滑是靠潤(rùn)滑管?chē)娚錆?rùn)滑和降低溫度，顯然凸輪軸齒輪在運(yùn)行過(guò)程中的潤(rùn)滑條件不良，使得凸輪軸齒輪和凸輪軸惰齒輪在嚙合的過(guò)程當(dāng)中產(chǎn)生磨粒磨損，在初期形成麻點(diǎn)并不斷增加及擴(kuò)大從而發(fā)展成較大面積的凹坑。潤(rùn)滑不良可能是油的污染、流失、受熱氧化、阻塞等原因造成的，由于沒(méi)有潤(rùn)滑油及時(shí)將凸輪軸齒輪的熱量帶離，造成凸輪軸齒輪的溫度不斷攀升，最終使得齒輪受到了過(guò)回火影響而使得表面硬度逐漸降低，致使接觸強(qiáng)度下降，并導(dǎo)致節(jié)圓處磨損齒面變形。通過(guò)試驗(yàn)表明（如表5所示），齒輪齒面經(jīng)受了約350℃的回火。這一溫度必然會(huì)導(dǎo)致齒面組織的變化和表面硬度的降低，綜合性能已經(jīng)不能夠再滿足使用需求。

（6）高壓燃油泵齒輪 齒尖角和節(jié)圓局部異常接觸磨損，個(gè)別齒頂磕傷。高壓燃油泵齒輪與高壓油泵惰齒輪嚙合，齒輪的損傷程度比較輕。接觸磨損是失效后期造成的，和齒輪打齒之后的損傷變形有關(guān)，由于各項(xiàng)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)都符合要求，在整個(gè)輪系當(dāng)中的工作條件相對(duì)較好，所以相對(duì)略淺的有效硬化層深也不會(huì)對(duì)齒輪帶來(lái)明顯不利的影響。

（7）凸輪軸惰齒輪 齒根打齒一個(gè)，齒頂啃傷變形崩齒，齒面壓陷。凸輪軸惰齒輪分別與凸輪軸齒輪及曲軸齒輪相互嚙合，初期因?yàn)橥馆嗇S齒輪軟化導(dǎo)致齒面變形形成異常接觸，產(chǎn)生的微粒磨損又?jǐn)U展至曲軸齒輪，反過(guò)來(lái)又加劇了曲軸齒輪的磨損，逐漸破壞齒輪的嚙合精度，最終導(dǎo)致整個(gè)齒輪箱輪系失效。凸輪軸惰齒輪宏觀觀察失效特征均為繼發(fā)性失效，是在曲軸齒輪打齒以后形成的干涉過(guò)程造成的，其各項(xiàng)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)都符合技術(shù)要求。

5.綜合分析

通過(guò)上述分析，在該組輪系中，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注曲軸齒輪和凸輪軸齒輪，在齒輪組嚙合中失效過(guò)程最初從凸輪軸齒輪開(kāi)始，由于潤(rùn)滑條件不良，凸輪軸齒輪齒面溫度開(kāi)始升高，同時(shí)凸輪軸齒輪的位置又位于箱體的最上方，與其他幾個(gè)齒輪相比較而言始終得不到下面潤(rùn)滑油的濺射，從而開(kāi)始形成磨粒磨損。脫落的磨粒被凸輪軸惰齒輪傳遞給曲軸齒輪，使得曲軸齒輪節(jié)圓也產(chǎn)生磨損。齒輪隨著磨損的繼續(xù)使得齒輪的嚙合精度隨之逐漸降低，沖擊載荷逐漸加大，反過(guò)來(lái)又加劇凸輪軸齒輪溫度的繼續(xù)升高。通過(guò)熱工工藝試驗(yàn)表明凸輪軸齒輪在箱體失效前的溫度已經(jīng)超過(guò)350℃，這一溫度的后果將導(dǎo)致齒輪原有性能的喪失。進(jìn)一步影響的是作用在這一組齒輪中工作負(fù)荷最大的曲軸齒輪，曲軸齒輪同時(shí)在與三組齒輪進(jìn)行嚙合，任何一組齒輪的失效都會(huì)最先影響到曲軸齒輪。從曲軸齒輪失效的形態(tài)來(lái)看，斷口部位在節(jié)圓附近，顯然可以排除是單向彎曲疲勞引起的，從各項(xiàng)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果來(lái)看，齒輪的各項(xiàng)制造質(zhì)量指標(biāo)都滿足了零件要求。曲軸齒輪接觸疲勞和雙向彎曲應(yīng)力是導(dǎo)致最終斷齒的直接原因。通過(guò)在售后服務(wù)部門(mén)的了解也驗(yàn)證了上述的分析結(jié)果。

表5 20CrMnTiH鋼齒輪耐受回火試驗(yàn)

圖6是我廠售后服務(wù)部門(mén)走訪用戶時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)拍到的凸輪軸齒輪失效后的照片，可以明顯看到齒輪周?chē)惺軣峄鼗鸬念伾?，而箱體其他齒輪無(wú)此現(xiàn)象。

6.結(jié)語(yǔ)

（1）空壓機(jī)齒輪、凸輪軸惰齒輪熱處理后的機(jī)械加工工藝可考慮進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整來(lái)確保使其得到近似對(duì)稱研磨的齒面。

（2）大功率發(fā)動(dòng)機(jī)箱體經(jīng)檢驗(yàn)凸輪軸齒輪表面硬度低和有效硬化層偏淺是齒輪在箱體內(nèi)局部溫度過(guò)高造成的，其他齒輪均符合技術(shù)要求。

（3）凸輪軸齒輪工作嚙合存在著潤(rùn)滑不良現(xiàn)象，導(dǎo)致齒輪局部溫度超過(guò)350℃。

（4）曲軸齒輪因接觸疲勞引起的表面裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致斷齒或雙向彎曲應(yīng)力引起的內(nèi)部裂紋造成斷齒。

（5）輪系中的其他齒輪因曲軸齒輪斷齒后受其連累繼發(fā)引起失效。

圖6 凸輪軸齒輪受熱回火外觀