齒輪發(fā)生隨機斷裂的原因和預防措施

朱孝錄

北京科技大學 北京 100083

1 序言

輪齒折斷（斷裂）是一種危險性很大的最終失效形式。在GB/T 348l—1997《齒輪輪齒磨損和損傷術語》（ISO 10825：1995）中，將輪齒的斷裂（折斷）細分為以下幾種：過載折斷、疲勞折斷、剪斷和抹斷。標準中沒有包含輪齒經常出現的隨機斷裂。

輪齒的隨機斷裂是指不與齒根圓角截面有關的輪齒斷裂。斷裂部位隨輪齒缺陷、損傷或過高的有害殘余應力的位置而定，如圖1所示。從圖1可以看出，正常的彎曲疲勞斷裂的斷裂線都起源于30°切線點附近；而如果輪齒腰部出現嚴重損傷，例如深層剝落，就會產生很大的應力集中而引發(fā)隨機斷裂。齒頂的隨機斷裂多數是由于熱處理缺陷和齒輪偏載造成的。

在1980年的AGMA 110.4標準中，首先提出了隨機斷裂（Random fracture）這一詞條。我國GB 3481—1983中也收錄了這一詞條。1979年的DIN 3979中只定義了輪齒的過載折斷和疲勞折斷，而沒有隨機斷裂詞條。在我國等同采用ISO標準的GB/T 3481—1997《齒輪輪齒磨損和損傷》術語中，也沒有隨機斷裂這一詞條。由此可見，隨機斷裂這一重要的失效現象并沒有引起人們廣泛的注意。

隨機斷裂在減速機的齒輪中經常出現，特別是硬齒面齒輪更是如此，筆者曾經多次呼吁恢復隨機斷裂這一詞條，見文獻[1-3]。

圖1 輪齒的正常疲勞斷裂和隨機斷裂

2 輪齒發(fā)生隨機斷裂的原因

齒輪輪齒發(fā)生隨機斷裂的原因很多，主要有：

1）隨機斷裂通常是由于輪齒缺陷、點蝕、剝落或其他應力集中源在該處形成過高局部應力集中引起的。

2）夾雜物、細微磨削裂紋等輪齒缺陷在交變應力作用下，裂紋不斷擴展導致輪齒隨機斷裂。

3）不當熱處理造成的過高殘余應力也能引起輪齒的局部斷裂。

4）載荷過大，或輪齒修形不到位，引起嚙入沖擊載荷過大，都會造成隨機斷裂。

5）輪齒偏載造成的齒面損傷會引起輪齒腰部或輪齒根部的隨機斷裂。

6）較大的異物進入嚙合處也會使局部輪齒斷裂。

3 輪齒隨機斷裂的分類和實例

輪齒的隨機斷裂根據斷裂部位不同可以分為3類：齒頂隨機斷裂、齒腰隨機斷裂和齒根隨機斷裂。下面是輪齒隨機斷裂的一些實例。

（1）齒頂隨機斷裂 由于輪齒偏載，齒面出現深層剝落造成輪齒齒頂斷裂，如圖2所示。硬齒面齒輪由于熱處理缺陷，齒頂硬度過高也會造成齒頂隨機斷裂。

圖2 齒面深層剝落造成輪齒齒頂隨機斷裂

（2）齒腰隨機斷裂 輪齒腰部如果有缺陷、損傷，就有可能發(fā)生齒腰隨機斷裂。圖3就是40Cr鋼滲氮齒輪齒面壓裂后產生的隨機斷裂。隨機斷裂的斷口形貌與一般疲勞斷齒相似。

圖3 滲氮齒輪齒面壓裂后產生的隨機斷裂

圖4 是球墨鑄鐵齒輪齒面壓碎后產生的齒腰隨機斷裂。圖5是輪齒腰部裂紋和齒腰隨機斷裂的實例。

（3）輪齒根部隨機斷裂 輪齒根部隨機斷裂是指有效工作齒面的根部發(fā)生斷裂，它與30°切線點斷裂無關。圖6是螺旋角β=30°的斜齒輪（滲碳淬火齒輪），在正常情況下不可能出現整齒斷裂，但由于嚙入沖擊使齒根部位出現深層剝落，剝落坑的應力集中造成了輪齒的隨機斷裂。

圖4 球墨鑄鐵齒輪齒面壓碎后產生的隨機斷裂

圖5 輪齒腰部裂紋和隨機斷裂

圖6 深層剝落造成齒根部位的隨機斷裂

再舉一個齒根隨機斷裂的實例：某風電機行星增速器的齒圈，有數個齒都在輸入端發(fā)生斷裂或出現裂紋，如圖7所示。由圖7可見：裂紋出現在實際工作齒面的齒根，而不是出現在彎曲應力和應力集中最大的齒根部位。由于數個斷齒和開裂未斷的齒都發(fā)生在內齒圈的輸入端，并且位置及裂紋長度形貌基本一致，由此可以認為，該齒圈傳動有較大的偏載，該處出現了很大的接觸應力，使齒面遭受到了嚴重的損傷——可能是表層壓碎。

輪齒的斷口如圖8所示。由于偏載，接觸應力過大造成表層壓碎，因此斷口會有壓碎層（通常是表面硬化層）。表層壓碎的裂紋產生很大的應力集中，促成疲勞裂紋的擴展，形成疲勞裂紋擴展區(qū)。疲勞裂紋擴展區(qū)逐漸擴大，裂紋擴展的速度加快，出現裂紋快速擴展區(qū)。最后輪齒承受不了載荷而斷裂（齒根部隨機斷裂），形成瞬斷區(qū)。

圖7 齒圈齒上的裂紋

圖8 輪齒的斷口

弧齒錐齒輪如果有效工作齒面的根部出現深層剝落，也會引發(fā)輪齒的隨機斷裂，圖9就是一個實例。圖中疲勞源區(qū)就是深層剝落的部位。

4 預防輪齒隨機斷裂的措施

可以從以下幾方面來預防輪齒的隨機斷裂：

1）在齒輪的設計環(huán)節(jié)，要精細計算齒輪的強度，避免因齒面接觸應力過大造成齒面的嚴重損傷，例如深層剝落、齒面壓碎等。這些嚴重損傷會產生很大的應力集中，從而引發(fā)輪齒隨機斷裂。

圖9 弧齒錐齒輪因深層剝落引發(fā)的隨機斷裂

2）提高齒輪的制造精度和安裝精度，避免出現齒輪偏載，因為齒輪的偏載對齒面的損傷很大，特別是硬齒面齒輪更是如此。

3）對于高速、重載齒輪要經過合理的輪齒修形，避免過大的嚙合沖擊載荷，因為齒根部位的隨機斷裂，大部分是由于嚙合沖擊引起的。

4）采用夾雜物少的鋼材，齒輪的坯料應該經過鍛造，鍛造比不能小于3，避免齒輪內部缺陷引發(fā)的隨機斷裂。

5）優(yōu)化熱處理工藝，避免齒輪出現過大、不利的殘余應力；齒頂部位的硬度不能太高。

由于齒輪隨機斷裂事故在使用中經常出現，因此很有必要對這一失效現象做出規(guī)范化文字表述；為此，建議在修訂GB/T 348l—1997《齒輪輪齒磨損和損傷術語》時，增加“齒輪隨機斷裂”詞條。