工程机械车桥齿轮失效分析及工艺优化

崔亚伟

摘要：齿轮是工程机械中最为重要的组成部件，若齿轮出现失效的情况，将会对整个工程机械设备造成严重影响。因此，有必要对工程机械车桥齿轮进行工艺优化，降低车桥齿轮失效的几率，满足客户实际需求。鉴于此，本文简要概述了工程机械车桥齿轮的特征，分析了工程机械车桥齿轮失效的原因，并对工程机械车桥齿轮工艺优化措施进行了深入研究。

Abstract： Gear is the most important component in construction machinery. If the gear fails， it will have a serious impact on the entire construction machinery and equipment. Therefore， it is necessary to optimize the process of the axle gear of construction machinery to reduce the probability of axle gear failure and meet the actual needs of customers. In view of this， this article briefly summarizes the characteristics of axle gears of construction machinery， analyzes the reasons for the failure of axle gears of construction machinery， and conducts in-depth research on the process optimization measures of axle gears of construction machinery.

关键词：工程机械;车桥齿轮;齿轮轮面;失效分析;措施

Key words： engineering machinery;axle gear;gear wheel surface;failure analysis;measures

中图分类号：TH132.4                                     文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）01-0118-02

0  引言

工程机械设备中，齿轮失效的情况十分常见，且对机械设备的影响很大。齿轮在转动中会受到各种因素的影响，从而出现失效的情况。当发现齿轮失效时，要及时对失效原因进行排查以及更换齿轮，避免对机械设备整体运行造成更严重的影响。同时，相关技术人员需要详细分析齿轮在运行中可能会出现失效情况的影响因素，积累齿轮使用经验，有效降低齿轮出现失效现象的几率，并做好相应的防范措施。

1  工程机械车桥齿轮的特征

车桥齿轮主要应用于工程机械底盘之中，具有转动稳定性强、转动效率高等优点，受工程机械领域的广泛使用，车桥齿轮的制造水平以及设计工艺会对工程机械产品的质量造成直接影响。稳定性是机械齿轮转动的必要条件，若想确保工程机械设备可以正常运行，需要确保其具有一定的可靠性。就转动效率来看，通常情况下，机械齿轮的转动效率是整个机械转动的首位，其工作效率可达到九十九个百分点以上。但是，机械车桥齿轮存在普遍的失效现象，还需要对其进行不断的优化。

2  车桥齿轮失效分析

通常情况下，车桥齿轮出现故障都是在多齿部分，其他部分出现故障的情况相对较少。齿轮出现失效的原因主要包括齿面胶合、齿面出现塑性形变、齿面磨损以及齿轮折断等，在进行车桥齿轮失效分析时，需要根据实际情况进行判断，并及时给予维修或更换。

2.1 车桥齿轮折断  机械设备在转动时，出现齿轮折断导致齿轮失效的情况是最为常见的，但这种情况也是极度危险的，是造成齿轮失效发生的根本原因，螺旋伞齿轮发生折断的情况如下图1所示。机械车桥齿轮折断的主要原因有两个方面：①过载折断。车桥齿轮在短时间内所承受的冲击过大，或者由于齿轮轮齿出现了变薄的情况，都会导致齿轮所承受的应力达到极限，从而使齿轮发生断裂;②疲劳折断。由于齿轮涉及到循环载荷，其根部所承受的压力最大，在遭受长时间的疲劳载荷时，会在车桥齿轮根部与过度的圆角部位发生裂纹，当载荷不断扩大时，会使裂纹逐渐变大，最后造成车桥齿轮折断的现象[1]。

2.2 车桥齿轮齿面磨损  齿轮出现磨损情况，主要是因为齿轮在正常运行中，齿轮表面发生摩擦而出现的损耗，齿轮发生磨损的具体情况如图2所示。通常情况下，这种损耗会导致齿轮出现轮齿变薄的情况，严重了还会发生齿轮断裂，另外，也会对渐开线齿轮齿部形状造成一定的破坏，从而导致系统出现震动并产生一定的噪音。车桥齿轮出现磨损的情况，大多数原因是所处的环境条件相对较差，可能是泥淖倒车或者行驶路面存在大量砂砾等情况，从而使车桥齿轮轮面与之相互作用产生了损耗。

2.3 车桥齿轮齿面胶合  齿轮发生齿面胶合的现象，主要发生在长期、重载以及高速转动的车桥齿轮中。齿轮在进行正常工作时，由于受机械摩擦力的影响，会使齿轮逐渐升温，使齿轮之间的润滑油膜加倍破坏，齿轮齿面直接接触与之相连的金属，导致齿面发生黏连的现象，并在齿轮正常转动时使较软地方的齒面金属连带被撕下来，从而导致齿轮表面出现节瘤、沟槽以及划痕等现象，这种现象也就被称为齿面胶合[2]。当车桥齿轮出现胶合现象后，就会使齿轮运转出现不平稳的情况，并加速车桥齿轮的磨损，严重还会导致齿轮迅速断裂以及失效。

2.4 车桥齿轮齿面点蚀  齿面点蚀其实是一种接触性疲劳损坏，在齿轮进行正常的转动时，各个接触点的接触应力呈现脉动循环现象，经过长时间运转就会使接触面上的金属出现疲劳裂痕，严重的裂痕情况会造成金属脱落，从而形成齿面点蚀。车桥齿轮出现齿面点蚀之后，其在运行中所承载的面积就会缩小，从而产生冲击与噪音，情况严重可能会出现齿轮折断的情况，在对车桥齿轮进行检查时，若发展齿面点蚀已经达到了齿高、齿宽的六成以上，就需要及时更换，以确保工程机械设备的正常运行，有效降低出现事故的概率[3]。

2.5 车桥齿轮齿面塑性变形  通常情况下，车桥齿轮塑性变形多发生在低速、重载的车桥齿轮转动中，塑性形变出现在硬度低的齿轮上。车桥齿轮在正常工作中，当齿轮表面应力远远超过齿轮的屈服极限时，齿轮表面材料就会受摩擦力的影响，从而产生塑性流动，这种现象也就是齿面塑性变形。当发生这种情况后，主动齿轮的节线处会出现凹槽，导致从动轮产生凸脊，对工程机械中车桥齿轮的正常运行十分不利。

3  工程机械车桥齿轮工艺优化措施

车桥齿轮的制造水平以及设计工艺会对工程机械产品的质量造成直接影响，因此，对齿轮工艺进行优化是十分必要的。在工程机械生产中，为了有效降低设备故障几率，避免齿轮出现失效的情况，需要采取相应的预防措施以及维护措施，保证齿轮的精准度以及齿轮材料的合理选择。

3.1 减少齿轮折断的措施  车桥齿轮出现折断现象，会产生极度危险的后果。因此，需要对齿轮出现折断现象进行有效预防，在对车桥齿轮设计时，需要准确计算齿轮的弯曲疲惫度，可以采取以下措施：第一，在对车桥齿轮安装时，需要确保安装的精准度，避免出现偏载的情况，进而造成齿轮失效;第二，在车桥齿轮的齿根位置，利用辊压以及喷丸等方法，对其表面进行一定的硬化处理，还可以将表层向齿芯过渡区域的抗剪强度提升;第三，将齿根处的过度圆角扩大，并不断提升齿轮齿面的加工精度，从而降低齿轮轮面的粗糙程度;第四，利用热处理技术，确保车桥齿轮轮面具有一定的硬度、齿芯具有韧性，对齿轮进行表面硬化以及热处理，可以将齿轮的整体性能大幅度提升，有效避免齿轮失效[5]。最后，明确车桥齿轮在恶劣环境中的使用规范，避免出现误用的情况，并以书面形式告知使用者，对工程机械的使用工况给予警示，有效预防由于用户不了解使用情况，而人为造成机械某些重要部件出现异常失效的情况。

3.2 提升齿轮硬度，定期磨损检查  车桥齿轮出现磨损情况的主要原因，就是齿轮在长时间的运行过程中，会受摩擦力的影响，使齿轮齿面出现损耗。因此，若想有效降低车桥齿轮出现磨损情况，就需要将齿轮轮面的强度不断提升，对齿轮进行定期的检查，并进行渗氮以及渗碳等热处理，对齿根、齿面等关键部分使用喷丸强化，不仅可以增强芯部过渡区域的强度，还可以将车桥齿轮的表面接触强度提升[7]。通常情况下，对齿轮的检查标准是，重要位置齿轮磨损齿面磨损要在齿面厚度的一层以内，对于一般的部位而言，需要确保磨损程度控制在二成至三成之间，若超出相关标准，就需要进行及时的维修以及更换。

3.3 降低齿面出现胶合的措施  齿轮齿面胶合是齿面接触时齿面温度上升造成润滑油膜被破坏，从而进一步导致齿轮表面出现沟槽等现象，所以，有效减少或预防车桥齿轮出现胶合的情况，需要采用一些吸附性能相对较强的润滑油，有效提升油膜的稳定性以及强度，确保油膜在长期高温的情况下，仍能保持较高的强度，将自身润滑效果以及隔离效果充分发挥出来，从而降低齿面胶合现象。另外，车桥齿轮材料的科学、合理选择，可以降低齿轮出现胶合的情况。在选择时不仅要充分考虑齿轮的韧性、工艺性能以及强度，还要结合实际情况对材料的经济成本以及经济效益进行考虑。

3.4 防止齿面点蚀的措施  在进行设计之前，需要准确计算车桥齿轮齿面的疲劳强度，确保将齿面的接触应力控制在允许值的范围内。另外，可以将齿轮表面光滑程度进行提升、用粘连性相对较高的润滑油、利用正变转动、提升车桥齿面的硬度以及将散热条件进行完善等，从而降低齿轮表面的粗糙度、避免油膜被破坏，进而防止车桥齿轮轮面点蚀现象的出现。润滑油的科学、合理使用是至关重要的，据相关数据显示，在以往的齿轮失效实例中，不正确使用润滑油而造成的机械事故占整体机械是事故的五分之一以上，润滑油使用不足引起的机械事故占三分之一，由此可见，在机械事故中，有一半以上的事故都是由于润滑油的不合理使用造成的，所以，车桥齿轮中选择性能较好的润滑油，对降低车桥齿轮失效具有重要意义[8]。

4  结束语

综上所述，齿轮是工程机械中，最为重要的组成部件，齿轮失效的情况十分常见。车桥齿轮在正常时会受到齿面胶合、齿面塑料出现形变、齿面磨损以及齿轮折断等因素影响，从而出现失效的情况。当发现齿轮失效时，要及时对失效原因的排查，明确车桥齿轮在恶劣环境中的使用规范，避免出现误用的情况，同时需要调整齿轮的渗碳工艺，减少人为因素，选择性能好的润滑油、适当降低介质温度，从而降低车桥齿轮失效的情况出现。

参考文献：

[1]陈金霞，吕文春，赵春来.基于Deform的螺旋伞齿轮轴楔横轧工艺的数值模拟[J].热加工工艺，2020，49（01）：96-98.

[2]王延忠，赵维强，初晓孟，刘旸，苏国营.面齿轮车桥总成构型设计与动力学分析[J].北京理工大学学报，2019，39（05）：486-490，496.

[3]黄昌文.电动工业车辆驱动桥箱的研发与产业化[J].2018-11-17.

[4]刘坤明.重型汽车车桥弧齿锥齿轮的几何建模应用[J].科技风，2018（24）：163，174.

[5]李永勃.一种螺旋伞齿轮齿距偏差的测量方法[D].燕山大学，2018.

[6]何德，上官琪，许征兵.工程机械车桥齿轮失效分析及工艺改进[J].铸造技术，2017，38（01）：111-113，119.

[7]孫晓旭.汽车后桥主减速器从动螺旋伞齿轮锻坯成形工艺研究及数值模拟[D].吉林大学，2013.

[8]邓效忠.数控螺旋锥齿轮成形铣齿（粗切）机床[J].河南科技大学，2012-01-01.