中齿轴断齿失效分析及设计优化

陈宗瑞 潘安霞

(中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司 江苏 常州 213011)

0 前言

在齿轮箱中齿轮主要承担着扭矩传递和速比增加的功能，齿轮断齿是齿轮箱故障中最为严重的问题之一[1]。某齿轮箱在运行1年后发生了中齿轴断齿事故，导致中间级齿轮副卡死，齿轮箱损毁严重。

本文结合该齿轮箱的运行情况，对断裂齿轮进行宏微观断口形貌、化学成分、显微组织以及力学性能的试验分析，以期得到造成该齿轮箱严重损毁的主要原因[2]。

1 中齿轴设计要求及计算分析

1.1 设计要求

中齿轴设计寿命为20年，要求原材料采用18CrNiMo7-6低碳合金钢，满足ISO6336-5中MQ等级要求，锻造比大于7，超声波探伤要求开齿部位缺陷不大于ø2 mm，其他部位缺陷不大于ø3 mm。齿面要求采用渗碳淬火工艺，表面硬度为58～62 HRC，芯部硬度为30～42 HRC，有效硬化层深2.4～2.9 mm。

关于齿轴计算强度要求，在极限扭载荷下齿轮静强度安全系数如下：接触强度安全系数SH>1.0，弯曲强度安全系数SF>1.4，在时序疲劳载荷下的齿轮疲劳强度安全系数为SH>1.2,SF>1.5。

图1为某齿轮箱中齿轴外形结构示意图，表1为某齿轮箱中齿轴齿轮主要参数。

图1 中齿轴结构示意图

表1 中齿轴齿轮参数

1.2 强度验算结果

根据ISO 6336—2006标准验算极限载荷下的中齿轴静强度安全系数如下：SH静=1.534,SF静=3.162。满足GL2010关于齿轮静强度安全系数SH>1.0，SF>1.4的要求。

根据ISO 6336—2006标准，在KHβ=1.15,KV=1.05的情况下，疲劳强度安全系数为：SH=1.274,SF=1.895。满足GL2010关于齿轮疲劳强度安全系数SH>1.2，SF>1.5的要求。

2 试验检测与分析

2.1 宏观形貌分析

图2是失效的中齿轴宏观形貌照片，断齿位置位于I区和II区。其中I区断裂位置在齿面中间部位，在其断面处发现具有疲劳特征的贝纹线，值得注意的是疲劳源位于齿面中间部位，而并非位于弯曲应力最大的齿根处。II区的断齿断面具有一次性脆性断裂特征。根据以上特征可以推断I区首先发生疲劳断裂，造成工作面局部承载应力较大，从而导致II区随后断裂。

图2 中齿轴损伤宏观形貌

图3是在齿轮箱内找到的掉块试样，掉块长约220 mm，断面呈银灰色，局部存在轻微磨损痕迹，未见腐蚀形貌，根据以上特征可以推断该掉块试样与I区断口相对应。整个断面密布疲劳贝纹弧线，弧线收敛于断面中部，图4箭头所指处，疲劳源位于距离工作面约4 mm处。

图3 I区断口对应的掉块宏观形貌照片

图4 I区断口对应的掉块疲劳源处局部放大照片

2.2 断口微观形貌分析

为进一步分析中齿轴的断齿原因，将掉块试样经乙醇超声清洗后放入扫描电镜观察，如图5和图6所示。疲劳源区存在一个尺寸大致为2 070 μm×312 μm的不规则长方条形区域，由较多条块状颗粒组成，该区域在电镜下呈深灰色，明显区别于基体颜色，且与基体存在空隙，疑似为杂质缺陷。表2是图6方框区域的能谱测试结果，疲劳源区缺陷除基体成分外，还含有较多的氧、铝、硫和钙元素。

图5 掉块试样疲劳源附近扫描电镜照片(×7)

图6 疲劳源处微观形貌(×32)

表2 疲劳源区能谱分析结果 /%

2.3 显微组织分析

采用线切割的方法从中齿轴断齿轮齿部位取齿块试样进行显微组织分析，对所取齿块截面进行磨抛制成金相试样，并采用4%的硝酸乙醇溶液进行侵蚀，然后使用金相显微镜对其组织进行观察。图7是齿块节圆表面金相组织，该区域组织为回火马氏体+少量残余奥氏体+弥散颗粒状碳化物。图8是齿根表面金相组织，该区域次表面组织和节圆一致，但表面存在深约35 μm的非马氏体层。非马氏体层是由于齿轮表面内氧化的产生及合金元素的贫化，使得该区域淬透性降低，导致在随后的淬火过程中形成屈氏体和贝氏体[3-4]。节圆表面由于受到磨加工，其非马氏体层可以去除，而齿根处磨加工量较小，其非马氏体层仍然保留。图9是齿块心部金相组织，该区域组织为贝氏体+回火马氏体，该区域洛氏硬度为37HRC。

图7 节圆处表面金相组织(×500) 图8 齿根处表层金相组织(×500)

图9 齿块心部金相组织(×500)

2.4 材料成分分析

从中齿轴断齿轮齿中部钻取碎屑试样进行化学成分分析，以避免表面渗碳的影响，其检测结果表明，检测样品材料各成分数据近EN 10084—2008中牌号为18CrNiMo7-6的合金钢。检测结果与标准合金钢化学成分对比如表3所示。

表3 中齿轴的化学成分(质量分数) /%

2.5 力学性能检测与分析

2.5.1显微硬度测试

采用线切割从中齿轴断齿轮齿上取齿块样，磨制截面后根据GB/T 9450—2005《钢件渗碳淬火硬化层深度的测定和校核》标准分别对齿块节圆和齿根处进行淬硬层深度测试，测试位置如图10所示。①、②、③处淬硬层深度分别为2.380 mm、2.327 mm、2.100 mm(见图11)。

图10 淬硬层深度测试位置示意图

图11 淬硬层深度测试位置示意图

2.5.2拉伸性能检测

对中齿轴断齿轮齿的拉伸性能进行测试，依据GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第一部分：室温试验方法》进行测试，其拉伸性能测试结果如表4所示。测试结果表明材料的强度指标和塑性指标均高于技术条件。

表4 材料的拉伸性能数据

2.5.3冲击性能检测

根据GB/T 229—2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》要求，制备夏比冲击标准V型缺口试样，缺口深度为2 mm，缺口角度为45°，缺口底部曲率半径为(0.25±0.025)mm。其测试结果如表5所示。试验数据与技术要求对比表明，材料的常温冲击性能满足技术要求。

表5 材料的冲击性能数据

3 失效原因探讨

从齿轮箱的损毁情况和断面特征可以看出，中齿轴齿轮齿腰部断齿面(图2中I区)存在明显的疲劳扩展贝纹线，属于典型的疲劳断口，可以判断齿腰部首先发生疲劳断裂，断裂后的碎屑将润滑油污染，导致齿面在后续啮合中擦伤。齿轮断齿后工作面局部接触应力加大，导致了齿轮端部发生脆性断裂。因此该齿轮的失效原因为I区弯曲疲劳断裂。

齿轮工作时存在两个主应力区：一个是表面接触应力，它是由输入扭矩从一个齿轮传递到与之啮合的另一齿轮所引起的接触压应力，此承载区域随着齿轮间的相互啮合而在齿廓上下移动；另一个主应力是齿根弯曲应力，由于齿轮是悬臂梁结构，在受到载荷后最大弯曲拉应力发生在作为承载悬臂梁支撑点的齿根圆角处。

而上文中涉及到的齿轮疲劳源位于齿腰部距工作面4 mm处，齿轮淬硬层深度约为2.3 mm，疲劳源所处深度超出了轮齿硬化层深度，疲劳裂纹并未萌生于接触拉应力最大的次表面和弯曲应力最大的齿根处。这可以排除设计应力分布不合理、齿根表面加工工艺不当的可能性。通过对疲劳源处的形貌和微区成分分析，源区存在一个尺寸大致为2 070 μm×312 μm的不规则长方条形区域，由较多条块状颗粒组成，除基体成分外，还含有较多的氧、铝、硫和钙等具有夹渣特征的元素，由此可以判断为夹渣类的材质缺陷，该缺陷大幅降低了材料的疲劳寿命，从而导致齿轮早期疲劳断裂。

4 设计改进建议

从齿轮强度验算报告中发现中齿轴的疲劳强度安全系数要远小于其他齿轮安全系数，是齿轮箱中最薄弱的环节。因此设计者在各级传动比分配设计时要充分考虑各级之间的传动形式不同和等强度，增大行星级速比、减小第二级速比。此外，在中齿轴变位系数分配时，除“AGMA等滑动法”外可以尝试采用“ISO等弯曲B法”，增加中齿轴的正变位。

图12是自主开发的齿轮设计系统，其提供了5种传动比分配方法和5种变位系数分配方法。

图12 齿轮设计系统

(1)原材料优化建议。由于中齿轴的安全裕度低，建议原材料选择18CrNiMo7-6电渣重熔钢锭，电渣重熔可提高原材料的纯净度和机械性能。

(2)锻造工艺优化建议。锻锤要有足够的吨位，至少大于6 t，以保证齿坯的整个截面锻透，使缺陷能够被打碎。

(3)探伤优化建议。由于超声波探伤存在局限性，缺陷产生的部位及其方向、分布位置都能影响探伤结果。严格中齿轴超声波探伤要求，将齿部区域使用的单晶探头更换为双晶探头，单个缺陷最大允许当量值为ø1 mm，不允许有连续条状缺陷，相邻密集区域间距不得小于130 mm。

(4)滚刀优化建议。中齿轴采用全圆弧凸角留磨滚刀，增大齿根过渡圆弧，可以减小应力集中，增强齿轮抗弯曲强度[5]。

(5)表面强化建议。中齿轴增加喷丸强化工艺可带来如下变化：①引入残余压应力场，表面残余压应力可超过-1 000 MPa，残余压应力深度在300 μm以上；②形变细化组织结构；③残余奥氏体向马氏体转变；④表面粗糙度改变。其中喷丸残余压应力场、形变细化组织结构及喷丸马氏体相变，均可提高齿轮的疲劳寿命。

5 结论

综上分析，中齿轴断齿是由于轮齿中部距工作表面约4 mm处的夹渣类原材料缺陷导致了早期的疲劳断裂。上文推荐的各项建议均在实践中取得了良好效果。