上傳主動錐齒輪斷裂分析

劉昌標(biāo)， 劉麗玉， 盧文海， 吉曉樂， 劉彥雪

（1. 中國航發(fā)常州蘭翔機械有限責(zé)任公司，江蘇 常州 213000；2. 中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095）

0 引言

在工程機構(gòu)和機械設(shè)備中，疲勞失效的現(xiàn)象極為廣泛[1]。機械零件的破壞有50%～90%為疲勞破壞[2]，齒輪作為關(guān)鍵傳動部件，更容易發(fā)生疲勞失效[3-5]。齒輪失效會導(dǎo)致整個傳動系統(tǒng)磨損乃至發(fā)動機失去動力。因此研究齒輪疲勞失效尤為重要。在對影響齒輪疲勞的多種因素研究中，多數(shù)情況下關(guān)注零件材質(zhì)、熱處理、缺陷等，往往忽略如圓角尺寸等結(jié)構(gòu)因素的影響[6]；因此，研究影響齒輪疲勞失效的因素對預(yù)防齒輪失效有重要的工程意義。

檢查發(fā)動機時發(fā)現(xiàn)上傳主動錐齒輪的一個齒發(fā)生斷裂，其工作時間為 361 h 57 min。錐齒輪材質(zhì)為18Cr2Ni4WA鋼，齒輪齒面經(jīng)滲碳處理，滲碳面硬度為≥HRC 58，齒面滲碳層深度為 0.5～0.8 mm，心部硬度為 HRC 35～45。

上傳主動錐齒輪為齒輪-軸一體化結(jié)構(gòu)形式，發(fā)動機起動階段，起動發(fā)電機通過上傳動系統(tǒng)帶動壓氣機轉(zhuǎn)動。此時，上傳從動錐齒輪帶動上傳主動錐齒輪，兩者通過起動面嚙合傳動。發(fā)動機工作階段，壓氣機帶動起動發(fā)電機轉(zhuǎn)動，上傳主動錐齒輪帶動上傳從動錐齒輪，兩者通過工作面嚙合傳動。

本研究對主動錐齒輪斷口進行宏微觀分析，確定其斷裂性質(zhì)，對齒輪的齒厚及齒根進行測量，并結(jié)合有限元模擬分析，確定齒輪的斷裂原因。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 外觀觀察和痕跡檢查

上傳錐齒輪故障件外觀見圖1，齒輪顏色正常，未見明顯超溫現(xiàn)象，其中一個輪齒發(fā)生斷裂。從錐齒輪小頭端看，無論在輪齒的工作面還是起動面（從小頭端看，輪齒逆時針面為工作面，順時針齒面為起動面），其輪齒斷裂位置均在齒根處，呈現(xiàn)挖根狀輪廓（圖2）。

斷裂齒輪工作面（圖3a）和起動面（圖3b）上的接觸磨損痕跡呈線狀，靠齒頂磨損發(fā)亮。斷裂輪齒兩側(cè)相鄰輪齒齒面上總體接觸痕跡較重，但接觸痕跡也基本偏向輪齒齒頂一側(cè)。觀察所有輪齒齒面接觸痕跡，總體上來看，所有輪齒工作面和起動面接觸痕跡存在以下特征：徑向位置均偏向輪齒齒頂，軸向位置均偏向小頭端一側(cè)。

圖1 錐齒輪失效情況Fig.1 Failure of bevel gear

圖2 齒輪斷裂位置Fig.2 Fracture position of gear

1.2 斷口觀察

斷裂輪齒斷口分2個區(qū)域：小頭端及工作面一側(cè)區(qū)域較平坦，可見明顯的擴展棱線，面積占整個斷面80%以上，為疲勞區(qū)；大頭端及非工作面一側(cè)區(qū)域起伏較大，為瞬斷區(qū)[7]。2個區(qū)域可見弧形界面。此外，從疲勞區(qū)棱線收斂位置，可大致判斷疲勞起始于距小頭端約1～3 mm的齒根表面（圖4）。

掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，疲勞源約為2 mm長的線源，源區(qū)未見冶金缺陷（圖5a），疲勞擴展區(qū)局部可見疲勞條帶（圖5b）。

1.3 齒根圓角R檢測

對錐齒輪部分輪齒小頭端和大頭端的齒根圓角進行檢測（所測的圓角數(shù)據(jù)均為每個輪齒工作端一側(cè)），結(jié)果見表1。技術(shù)條件要求輪齒大頭端和小頭端齒根圓角均為0.3～0.4 mm。從趨勢上看，小頭端圓角R明顯比大頭端小，與技術(shù)條件要求是一致的。此外，幾個輪齒上可以看到圓角過渡不良的現(xiàn)象（圖6）。

圖3 斷裂輪齒齒面接觸痕跡Fig.3 Contact trace of fracture gear tooth surface

圖4 齒輪斷口宏觀形貌Fig.4 Macro morphology of gear fracture

1.4 齒厚檢查

進一步檢查故障齒輪的加工質(zhì)量，并與工作1000 h齒輪、設(shè)計參考樣件進行對比，結(jié)果見表2。根據(jù)表2中檢查結(jié)果可知，故障齒輪的齒厚超差較大。

圖5 齒輪斷口微觀形貌Fig.5 Micromorphology of gear fracture

表1 齒根圓角測量結(jié)果Table 1 Root round angle measurement result mm

圖6 小頭端圓角過渡情況Fig.6 Transition of small head round angle

1.5 金相組織和硬度檢查

對斷裂輪齒進行滲碳層金相、硬度以及深度檢測。滲層組織評級為2級，為合格組織[8]。心部組織為低碳馬氏體，組織正常。

斷裂齒輪的滲碳層深度及滲層硬度檢測結(jié)果見表3。結(jié)果表明，斷裂齒輪的滲層深度及硬度均符合技術(shù)條件的要求。

2 分析與討論

2.1 斷裂模式及特點

上傳錐齒輪一個齒輪發(fā)生斷裂，齒輪斷口平坦，宏觀可見弧形界面和明顯的擴展棱線，微觀可見疲勞條帶，齒輪斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂[9]。此外，疲勞裂紋起始于工作面根部圓角處，向另一側(cè)（非工作面）的齒根圓弧擴展，呈現(xiàn)挖根斷齒狀。從疲勞起源和擴展的走向看，具有彎曲疲勞斷裂特征，因此判定齒輪的斷裂性質(zhì)為彎曲疲勞斷裂[10-12]。

表2 齒厚的檢查對比Table 2 Check and contrast of tooth thickness mm

表3 齒輪滲碳層深度及硬度檢測Table 3 Depth and hardness test of carburized layer of gear teeth

齒輪的輪齒發(fā)生彎曲疲勞失效與輪齒齒根彎曲應(yīng)力和齒根彎曲疲勞抗力兩方面有關(guān)。

從齒輪材質(zhì)檢查結(jié)果看，輪齒的滲碳層深度、滲碳層表面硬度及心部硬度符合技術(shù)條件要求，且未發(fā)現(xiàn)材質(zhì)方面因素導(dǎo)致輪齒彎曲疲勞抗力下降的證據(jù)。

從輪齒齒根所受的彎曲應(yīng)力上分析：從起源位置看，輪齒疲勞起源于小頭端一側(cè)，而從輪齒接觸痕跡看，小頭端的接觸磨損痕跡較大頭端重，說明齒輪工作時受力偏向小頭端一側(cè)；因此，錐齒輪輪齒發(fā)生彎曲疲勞斷裂可能與小頭端輪齒齒根彎曲應(yīng)力過大有關(guān)。從齒輪小頭端和大頭端輪齒齒根圓角檢測結(jié)果看，小頭端的圓角普遍小于大頭端圓角，且齒根圓角存在過渡不良的情況可能是造成小頭端應(yīng)力過大的原因之一[11]。此外，從齒面接觸痕跡還可看到，輪齒接觸節(jié)線偏向輪齒齒頂，勢必造成齒根圓角處彎曲應(yīng)力增大。

2.2 彎曲載荷影響的有限元分析

為了進一步研究彎曲載荷對齒輪受力的影響，對齒輪進行有限元建模。分別完成接刀尖邊及齒輪齒厚超差導(dǎo)致裝配誤差對齒根彎曲應(yīng)力狀況的影響分析。

根據(jù)當(dāng)量齒輪分析理論，建立錐齒輪當(dāng)量齒輪的二維簡化模型，利用有限元分析方法，完成接刀尖邊對齒根彎曲應(yīng)力狀況的影響分析。主要使用的分析工具為 ANSYS APDL 14.0，設(shè)置單元類型為plane182平面單元，采用30°切線法進行加載（圖7），分析結(jié)果見表4。

通過簡化模型的二維有限元分析可以看出：1）齒根加工出現(xiàn)接刀尖邊會導(dǎo)致應(yīng)力集中現(xiàn)象，齒根最大彎曲應(yīng)力普遍提高30%～40%，嚴(yán)重削弱齒根彎曲強度，勢必會嚴(yán)重影響輪齒壽命；2）加工接刀尖邊高度越大，致使截面突變程度增大，會導(dǎo)致齒輪齒根的最大彎曲應(yīng)力進一步的增大[12]。

表4 接刀尖邊對齒根彎曲應(yīng)力影響Table 4 Effect of the tip edge on the bending stress of the root the tooth

故障齒輪的齒厚超差0.2 mm，其配對齒輪的齒厚合格，裝配記錄顯示齒輪嚙合間隙合格。由此可知，齒輪在裝配時的實際安裝距較理論安裝距偏大，即齒輪實際裝配位置較理論位置產(chǎn)生軸向外移，造成裝配誤差。

根據(jù)齒輪嚙合理論，利用三維有限元分析方法，完成裝配誤差對齒根彎曲應(yīng)力狀況的影響分析。主要使用的分析工具為ANSYS APDL 14.0，建模工具為 UN NX7.5，建模精度為 0.001 mm，采用mm量綱進行建模分析。齒輪采用3齒輪模型，通過接觸對完成齒面載荷施加，基體單元為SOLID 185，分析結(jié)果見圖8。

通過建立直齒錐齒輪理論齒面模型，并進行三維有限元分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)裝配誤差產(chǎn)生時有以下現(xiàn)象出現(xiàn)：1）小齒輪軸向外移0.2 mm，會導(dǎo)致接觸區(qū)偏向小齒輪根部，出現(xiàn)偏載現(xiàn)象，同時最大彎曲應(yīng)力會增大50%左右；2）大齒輪軸向外移0.2 mm，會導(dǎo)致接觸區(qū)偏小齒輪齒頂，同樣出現(xiàn)偏載現(xiàn)象，最大彎曲應(yīng)力會增大60%左右[12]。

圖7 部分二維有限元分析結(jié)果Fig.7 Result of partial two-dimensional finite element analysis

圖8 三維有限元分析結(jié)果Fig.8 Results of three-dimensional finite element analysis

通過有限元模擬分析結(jié)果可知：1）齒根加工出現(xiàn)接刀尖邊會導(dǎo)致應(yīng)力集中現(xiàn)象，齒根最大彎曲應(yīng)力普遍提高30%～40%，嚴(yán)重削弱齒根彎曲強度；2）故障齒輪的齒厚超差0.2 mm，造成裝配誤差，會出現(xiàn)偏載現(xiàn)象，同時最大彎曲應(yīng)力會增大50%～60%左右。有限元的模擬結(jié)果與實際情況較吻合。因此，齒輪齒厚超差以及齒根圓角過渡不良是造成齒輪彎曲疲勞斷裂的主要原因。

3 結(jié)論

1）上傳主動錐齒輪輪齒斷裂為彎曲疲勞斷裂。

2）輪齒發(fā)生彎曲疲勞斷裂與小頭端輪齒齒根彎曲應(yīng)力過大有關(guān)。

3）齒厚超差引起齒輪的裝配誤差，導(dǎo)致齒輪嚙合位置偏離設(shè)計要求，出現(xiàn)嚙合偏載，齒根最大彎曲應(yīng)力提高，同時齒根圓角存在接刀尖邊導(dǎo)致齒根應(yīng)力分布改變，出現(xiàn)應(yīng)力集中，齒根最大彎曲應(yīng)力進一步提高。

4）通過改進齒輪的加工工藝及加強對齒輪的制造質(zhì)量控制等措施后，避免該類故障再次發(fā)生。