内燃机后传动齿轮系强度改进提高探析

王文杰

（海军驻西安地区某军事代表室，陕西 西安 710021）

上世纪90年代初期，某型舰用内燃机改装后功率大幅度增加，但由于当时国内机加工行业工业基础薄弱、工艺方法滞后等原因，后传动齿轮系齿轮的强度没有进行相应的改进提高，以至多次发生了后传动齿轮系统（从曲轴哈呋齿轮至螺杆泵传动系统）齿轮轮齿断裂、挤伤等重大质量事故。

1 故障原因分析

该型机后传动齿轮系同时驱动凸轮轴及螺杆泵压缩机，因此，对后传动齿轮本身的强度提出很高的要求。经过对原齿轮系分析，发现该系列齿轮本身存在如下问题：

齿轮材料原采用40CrNi，轮齿表面及齿根采用中频淬火工艺进行硬化处理，淬火处理完成后对齿面、齿根进行磨削加工。由于表面淬火方法本身的不足，加之工厂专用设备精度下降，中频淬火后，齿轮轮齿表面的硬化层深度不均匀，存在个别齿根没有淬硬层的现象，加之磨削齿根后，齿根部位形成拉应力。所有这些，严重影响了齿轮的弯曲强度，特别对承受载荷较重齿轮的可靠运行造成了威胁[1]。

2 采取的技术措施

解决该型内燃机后传动齿轮系齿轮本身强度不足问题，即齿面淬硬层不均匀问题，最有效的方法，是更换原材料40CrNi，进行工艺调整，将齿轮的热加工工艺由中频表面淬火改为渗碳淬火，采用圆弧磨前滚刀加工齿根，以代替原来磨削齿根的加工工艺，最后对齿面齿根进行喷丸强化处理。

2.1 更选材料

经计算分析，后传动齿轮系中承载最严重的3种齿轮已超过材料使用范围。经过将此3种齿轮的材料由40CrNi改为渗碳淬火材料，同时对其加工工艺进行完善。

围绕渗碳材料的选择问题，对常用的生产齿轮的12CrNi3、F173与原材料40CrNi的模拟产品进行了力学性能试验。试验的前提为3种材料的试样尺寸（产品热处理有效厚度）相同，且在试验过程中调整热处理工艺，以保证3种试样表面硬度及芯部抗拉强度一致。通过对力学性能试验数据的分析得知：12CrNi3的综合机械性能优于F173，且与经调质处理后的40CrNi相接近，并结合有多年12CrNi3热处理经验的实际情况，决定选用12CrNi3。

2.2 工艺调整

经齿面中频淬火后的齿轮，其轮齿表面淬硬层与非淬硬层过渡界线明显，硬度分布梯度大，同时淬硬层不均匀（工厂专用设备精度下降，是造成硬化层不均的原因之一），如齿根没有淬硬，就易造成表面裂纹。而经渗碳淬火磨削后的齿轮，具有表面硬度高、齿面硬化层均匀等优点。相比之下，渗碳淬火齿轮的表面接触强度，比中频淬火齿轮的表面接触强度成倍增长，且弯曲强度前者比后者增加50%以上。

为了进一步提高渗碳淬火齿轮的弯曲强度，决定采用圆弧磨前滚刀切出齿形。这样磨齿后，齿面可与齿根基本相切，齿根可以不磨削，有效克服了普通滚刀切出的齿轮经磨齿后，齿根出现与磨削余量一样厚的台阶，引起应力集中，而要消除此台阶，必须磨削齿根，这样就在齿根部位产生拉应力，使得齿根弯曲强度降低。使用圆弧磨前滚刀后，可将齿轮弯曲疲劳强度提高40%～50%。

2.3 强化处理

所采取的提高齿轮弯曲强度的另一种方法，是在齿面精磨前对齿面齿沟进行喷丸强化处理。经对磨削齿根及不磨削齿根两种齿轮齿根部位应力点测试，磨齿根后齿根处的应力为拉应力，与齿轮承受弯曲载荷时根部受拉伸应力的情况一致，极易损坏。而采用磨前滚刀加工后的齿轮其根部，是受压应力，但数值较小。如再增加喷丸强化处理，就可以更好地抵消齿轮工作过程中齿根部位产生的弯曲应力，提高了承载齿轮抗弯曲疲劳的极限。

3 试件生产

（1）在渗碳淬火材料确定下来以后，投产 3件齿轮Z39（Z）、1431 及 1Z39（Z）1825、1Z39（Z）1861 来验证改进效果。

（2）为了确保提高齿轮自身强度措施的有效性，试验齿轮生产过程中，对3种齿轮采用中频淬火（40CrNi）及渗碳淬火（12CrNi3）的接触疲劳强度及弯曲疲劳强度进行了对比计算分析。结果表明，齿轮材料由40CrNi改为12CrNi3，用渗碳淬火工艺取代中频淬火工艺后，齿轮的接触强度提高21%，弯曲强度提高27%。具体数值见表1。

表1 齿轮接触强度和弯曲强度对比表

（3）为了证实齿沟喷丸强化后对压应力的影响，在Z39（Z）1431齿轮的制造过程中，对该齿轮喷丸前后齿沟的残余应力进行了测量。喷丸前，齿根残余压应力为-225～-252 MPa；喷丸后，齿根残余压应力为-952～-1008MPa。结果证明，齿沟喷丸强化确实起到了强化齿根压应力的作用。而原中频淬火齿沟磨削的齿轮齿根处呈残余拉应力，应力值为+84 MPa，对齿轮工作是不利的。

4 结束语

为验证实机运行效果，保证装备部队后不留隐患，进行了严格的200 h耐久试验。通过对后传动齿轮系的拆检发现，试验前后，各齿轮啮合副齿隙及齿面贴合数值稳定，改材料后的3种齿轮没出现异常磨损现象，且表面未发现裂纹及其它任何缺陷。拆检结果表明，经改进提高后的后传动齿轮系经200 h考核试验后，运转情况良好。另外，此内燃机后齿轮系装备部队使用后，经多年跟踪监控，无重大质量问题发生。由此证明，采取的提高齿轮本身强度的技术措施，起到了提高该型内燃机后传动齿轮系可靠性的作用，达到了预期效果。

[1]门 强.浅谈齿轮渗碳后淬火的质量分析[J].机械管理分析，2005，(4):26-27.

[2]Kumar Balan.齿轮强化的应用[J].现代零部件，2007,(10):39-40.