汽车齿轮断裂失效分析

郝海艳+尹亚杰

摘 要：断裂齿轮样本出自轧钢机、采煤机、牵引机车、鼓风机、船用发动机、汽车摩托车、起重机、飞机、工程机械、采油机械、矿井提升机和大型抛物天线等多种设备中的圆柱直齿轮、斜齿轮、齿轮轴和锥齿轮等，设备和齿轮受载类型有一定代表性。本文首先分析了汽车齿轮断裂失效的主要原因，然后分析了断裂的机理，最后笔者给出相应的结论。

关键词：汽车齿轮；

齿轮是常用机械传动件，齿轮断裂轻则必须停机维修，重则危及设备安全甚至造成重大事故。齿轮断裂后简单地更换并不能排除齿轮再次断裂的风险，需要分析齿轮致断因素并加以改进。从个体看，齿轮致断原因千差万别，但断裂样本数较大时，发现了一些共性特征。在集合意义上，存在一个齿轮致断因素全集，寻求全集的意义在于从设计开始建立齿轮的生命期质量概念，通过遍历集合中的元素全面审查和主动改善齿轮质量，一旦发生断裂，又能为诊断其断因和设计改进方法提供支持。齿轮生命期按时序可分为设计、制造、使用与维护、失效报废等几个阶段。为了避免早断失效，需要确定齿轮生命期中哪些因素影响齿轮断裂。齿轮断裂有的是单一因素致断，有的是一个或多个阶段多因素组合致断。

一、主要因素分析

经过笔者对于现实数据的收集和整理，齿轮断裂样本中，疲劳断裂超过60%。既为疲劳断裂，一般存在裂纹源。齿轮的结构设计缺陷如截面形状突变、厚薄不匀、键槽、油孔等设计不当容易产生裂纹，而齿顶或齿根处的过小的过渡圆角，既容易在热处理过程中产生裂纹，又容易在工作载荷作用下产生应力集中，致其裂纹扩展直至断裂。齿轮断裂实例证明齿根裂纹形成对过小的过渡圆弧半径具有较强敏感性。配合中的过盈量过大对齿轮断裂的影响齿轮装配过盈量过大，就要求较大的热装膨胀量，因此需要更高的加热温度，而过高的加热温度可能与材料的热处理温度相冲突，还造成齿轮过度膨胀，装配后在齿根处留下较大的装配拉应力。又因为加热方式很难保证齿轮均匀加热，导致齿轮受热不均，又会恶化齿根处的装配拉应力分布状况。

齿轮设计中，往往按常规计算齿轮齿面接触强度和齿根弯曲强度，容易忽略多因素产生的应力对整个齿轮产生的叠加影响，如过盈装配产生的切向拉应力、传递转距时产生的弯曲拉应力、次表层热处理的残余拉应力、磨削应力以及销槽造成的应力集中诸应力综合作用。某发动机正时齿轮虽满足一般设计强度要求，却因上述应力综合作用致齿轮轴向断裂。 除了直接影响齿轮断裂，也有间接因素影响齿轮断裂，如某鼓风机叶轮与轴采用过盈配合，装配时采用加热叶轮、自然冷却工艺，转子在冷却过程中产生了轴伸弯曲变形，运转中引起齿轮载荷不均和冲击致最终断裂。

二、断裂机理分析

1、齿根齿表齿端硬度低对齿轮断裂的影响：热处理通过齿轮表面和心部硬度、硬度梯度及组织均匀性影响其力学性能。较低的齿表硬度降低了齿轮表面接触疲劳强度，在交变应力作用下，啮合面逐渐磨损，形成磨损严重的齿面和表面麻点甚至剥落坑。这时，齿轮传动重合度减小，相邻齿轮承受传动负载增大，传动时产生冲击，平稳性下降。实验结果表明，啮合面磨损后的齿根最大拉应力显著增大，轮齿处于危险状态，容易断裂。齿根处硬度较低则降低齿轮的弯曲疲劳强度。2、渗碳层深度及厚薄不均对齿轮断裂的影响：齿面硬化层深度不足和齿心部硬度低，在接触载荷作用下，较薄的渗碳硬化层难被较软的心部支承而被压碎，硬化层产生剥落和齿体塑性变形都使运动间隙增大，产生冲击载荷。沖击载荷使齿根产生的疲劳裂纹加速扩展，致有效承载截面减小，最后不能承受工作载荷而突然断齿。从表层到心部硬度梯度太陡，在表层和心部的界面上会产生较强的残余拉应力。当工作应力与残余拉应力共同作用时容易在此界面上引起裂纹并因疲劳而扩展。过陡的硬度梯度不但加速了裂纹在过渡区内的形成，还会引起深层剥落，加速齿轮的早期断裂。3、因为在相同成分和冷却条件下，这样的组织具有较高的强度、塑性、冲击韧性和低的脆性转变温度，而组织中晶粒大小不匀，承受载荷时会造成变形不均匀，塑性和抗力下降，易使齿轮过早断裂。带状组织易使钢的力学性能呈各向异性，影响钢的横向塑性，因此降低钢的冲击韧性和断面收缩率。而钢中一旦出现网状碳化物，不仅降低钢的塑性和韧性，还将增大淬火开裂倾向。实践证明，对存在粗大马氏体的齿轮进行磨削加工时，极易出现磨削裂纹，装机使用后成为裂纹源。4、齿轮或轴与轴承配合误差较大时，容易造成齿轮偏载和冲击。齿轮偏载导致啮合区域不正常，既减小啮合面积，使单位面积承受载荷显著增大；又使啮合位置偏移，即最大受力点偏移，造成齿轮本身受力不均匀，偏载处往往因受力集中导致齿轮断裂。例如，某曲线齿锥齿轮装配错位的轴向位移在沿节锥母线和沿齿高两个方向影响齿轮啮合，沿节锥母线方向对齿轮啮合影响更大。这种错位啮合产生冲击和偏载，最终使齿轮早期断裂。

结论 作者认为，齿轮使用过程中存在过载现象，表面渗碳层在传动啮合过程中，使得齿轮表面压应力过高，分度圆处或齿根处易于渗碳层破碎或裂纹，在断裂后齿面表层仍能找出明显的宏观裂纹，心部组织较为均匀且符合国标要求，但其心部存在较多量铁素体，使其硬度值接近标准下限，硬度相对较低的心部不能承受随之而来过高载荷而发生断裂。断裂位置多发生于齿轮分度圆处，断面较平缓，有疲劳线存在，这是由于反复压应力下产生疲劳裂纹，最终引起齿轮的断裂。汽车齿轮工作阶段发生疲劳断裂，齿轮啮合传动过程中存在过载现象，表面渗碳层在传动啮合过程中压应力过高，表面渗碳层发生破碎剥落和微裂纹，这是由于齿轮心部存在多边形铁素体，使得心部硬度值偏低，导致分度圆处疲劳强度降低，致使裂纹扩展而断裂。

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