探索重型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪失效分析及改善途徑

韋錦順

摘 要：站在重型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪失效分析角度來說，主要涉及到的內(nèi)容有理化檢驗(yàn)或者是掃描電鏡等等，實(shí)現(xiàn)對(duì)失效齒輪的全面分析，同時(shí)將失效齒輪結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出來。本文根據(jù)以往工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)失效件描述情況進(jìn)行總結(jié)，并從化學(xué)成分及硬度檢驗(yàn)分析、齒面斷口分析、結(jié)構(gòu)分析、斷齒掃描電鏡分析四方面，論述了重型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪失效分析。

關(guān)鍵詞：重型汽車;發(fā)動(dòng)機(jī);齒輪

為了方便研究，本位以某中型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪為例。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障問題之后，工作人員發(fā)現(xiàn)曲軸后齒輪出現(xiàn)三個(gè)齒斷裂情況，其他零部件依舊完好，而且該種斷裂情況是第一次出現(xiàn)。為了呈現(xiàn)出更好的研究效果，工作人員需要對(duì)該斷裂的曲軸后齒輪失效模式進(jìn)行深入性研究，確定針對(duì)性的解決對(duì)策，降低同類故障的出現(xiàn)幾率，強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用的可靠性。

1 失效件描述

曲軸后齒輪有三個(gè)齒出現(xiàn)問題，具有情況如圖1所示，該曲軸后齒輪在制作過程中，主要材料為20MnCr5低碳合金鋼，在經(jīng)過滲碳猝火操作之后，表面硬度能夠達(dá)到59到63HRC。對(duì)于實(shí)際硬化層深度，最為常見的范圍為0.5到0.7mm，心部強(qiáng)度為34.5到44HRC。除此之外，在實(shí)際制造工藝內(nèi)容之中，主要涉及到下料、鍛造、正火、粗加工、精加工和包裝。

2 重型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪失效分析

2.1 化學(xué)成分及硬度檢驗(yàn)分析

為了更好的進(jìn)行研究，工作人員可以在失效件上執(zhí)行有效的取樣檢驗(yàn)操作。從實(shí)際檢驗(yàn)結(jié)果中能夠看出，化學(xué)成分、金相組織以及心部硬度均處于合理狀態(tài)之下。反觀表面硬度和有效硬化層深度，也基本上處于合格狀態(tài)，一旦出現(xiàn)不合格數(shù)據(jù)，主要原因可能是由于硬化層深度太薄所導(dǎo)致的，具體深度低于0.8mm，此時(shí)，人們在洛氏硬度計(jì)應(yīng)用時(shí)，容易將有效硬化層擊穿，這也是對(duì)基層硬度的直接反映。為了確保誤差測量的準(zhǔn)確程度，工作人員可以借助于金相法對(duì)其進(jìn)行全面測量，確定具體的誤差范圍。

2.2 齒面斷口分析

站在斷齒齒面角度來說，具體情況如圖2所示，裂紋是從輪齒根部開始起裂，沿著滲碳層逐漸擴(kuò)展開來，從實(shí)際斷口形貌上能夠看出，當(dāng)表面滲碳層裂紋初步朝著向心部擴(kuò)展時(shí)，實(shí)際齒輪的有效接觸面積逐步縮小，如果剩余有效面積無法承受系統(tǒng)產(chǎn)生的荷載，便會(huì)出現(xiàn)齒輪斷裂問題。從這里也可以看出，由于失效齒輪在加工或者是設(shè)計(jì)過程中存在各種各樣的問題，進(jìn)而引發(fā)明顯的偏載問題，齒輪面的實(shí)際受力面積同樣會(huì)出現(xiàn)偏移現(xiàn)象，導(dǎo)致局部超荷載，也正是由于應(yīng)力過大，甚至?xí)^滲碳層強(qiáng)度，進(jìn)而在齒根處引發(fā)應(yīng)力集中問題，所產(chǎn)生的裂紋會(huì)繼續(xù)朝著根心部發(fā)展，加劇了齒斷問題的出現(xiàn)幾率。對(duì)于失效件齒輪，與斷齒臨近的齒已經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重磨損現(xiàn)象，磨平厚度幾乎達(dá)到了二分之一。從這里也可以看出，由于齒根部圓弧加工存在一些問題，當(dāng)齒輪在嚙合過程中，無法保證足夠的齒面接觸，增加了疲勞斷裂問題的出現(xiàn)幾率。

2.3 結(jié)構(gòu)分析

在結(jié)構(gòu)分析工作執(zhí)行上，主要是對(duì)曲軸后齒輪失效件的詳細(xì)尺寸檢驗(yàn)操作，分析手段為三坐標(biāo)，主要檢查的項(xiàng)目有齒根圓直徑、沉孔直徑以及沉孔邊緣倒角等等。從實(shí)際檢驗(yàn)結(jié)果中能夠看出，失效件根部有2個(gè)0.2左右的圓弧過渡，容易將嚙合齒輪之間的接觸面積縮小，降低兩齒嚙合的接觸精度。為了將齒輪疲勞壽命提升，最高就是應(yīng)用大圓弧滾刀加工，強(qiáng)化齒根圓角，將疲勞壽命大大降低。相關(guān)研究表明，采用大圓弧滾刀切齒，能夠?qū)⒄麄€(gè)齒輪壽命提升至之前的3倍。

2.4 斷齒掃描電鏡分析

當(dāng)斷口使用丙酮清洗完之后，工作人員可以確定裂紋源，主要集中在齒輪邊緣處。透過實(shí)際觀察和研究，裂紋源附近存在微裂紋現(xiàn)象，如果是站在微觀形貌角度來說，更容易出現(xiàn)疲勞破壞問題。因此，在斷齒掃碼分析工作結(jié)束之后，工作人員能夠明確具體的斷齒原因，以及后續(xù)的工作方向。

3 改善措施

從上述結(jié)構(gòu)分析過程中能夠看出，重點(diǎn)內(nèi)容主要集中在齒根設(shè)計(jì)上。另外，對(duì)于齒輪輪齒設(shè)計(jì)，相關(guān)工作人員應(yīng)保證其齒面存在足夠的接觸疲勞強(qiáng)度，對(duì)于齒輪齒根部分，應(yīng)保證良好的圓滑過渡性，如果齒面接觸面積有所提升，剩余應(yīng)力也會(huì)處于較低狀態(tài)，讓抗彎疲勞強(qiáng)度得到有效保證。除此之外，相關(guān)工作人員也可以通過計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算，將齒輪根部圓弧過渡效果更好的呈現(xiàn)出來，具體規(guī)格為2個(gè)R0.2左右的圓弧，為后續(xù)工作的執(zhí)行創(chuàng)造有利條件。

4 結(jié)論

綜上所述，通過對(duì)曲軸后齒輪失效埋件理化性能的檢驗(yàn)和分析，能夠幫助工作人員將齒輪失效件理化性能校驗(yàn)技術(shù)要求呈現(xiàn)出來，為后續(xù)工作的開展創(chuàng)造有利條件。借助于齒輪失效件掃描電鏡以及三坐標(biāo)檢驗(yàn)結(jié)果分析，人們也能實(shí)現(xiàn)對(duì)齒輪的有效改進(jìn)操作，讓整個(gè)臺(tái)架疲勞試驗(yàn)顯得更加完善，讓重型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪失效問題得到合理解決。

參考文獻(xiàn)：

[1]李劼人，王開宇，宋雅培，王建民.汽車起重機(jī)齒輪泵噪聲研究[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2020（10）：145-149.

[2]鄭俊麗.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢分析[J].時(shí)代汽車，2019（15）：125-126.

[3]李琴.基于多元線性回歸的汽車油耗預(yù)測模型[J].海峽科技與產(chǎn)業(yè)，2019（03）：90-92.