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在某裝載機驅(qū)動橋大螺旋齒輪開發(fā)過程中的裝機試驗時發(fā)現(xiàn)，齒輪在工作200~1300h時出現(xiàn)斷齒失效的情況。

該大螺旋齒輪的內(nèi)圓直徑為210mm，外圓直徑為380mm。失效大螺旋齒輪的宏觀形貌如圖1所示，齒輪材料為20CrMnTi鋼。齒輪的技術(shù)要求參照J(rèn)B/T 6041－2013«輪式工程機械驅(qū)動橋 主減速器齒輪副 技術(shù)條件»：零件經(jīng)淬火后表面硬度為58~64HRC，心部硬度為33~45HRC。齒輪熱處理按JB/T 5944－1991«工程機械 熱處理件通用技術(shù)條件»規(guī)定進(jìn)行。

圖1　失效大螺旋齒輪的宏觀形貌

為查明該大螺旋齒輪斷齒失效原因，筆者對其進(jìn)行了檢驗和分析，并給出了改進(jìn)措施。

理化檢驗

綜合分析

根據(jù)齒輪的工作特點進(jìn)行受力分析可知：在齒輪其他參數(shù)不變的情況下，齒根圓角曲率半徑是影響齒根彎曲應(yīng)力的主要因素，即輪齒的彎曲疲勞強度主要決定于齒根圓角曲率半徑。

根據(jù)裂紋的起始位置可知導(dǎo)致該大螺旋齒輪輪齒疲勞壽命較低的主要原因為齒根圓角曲率半徑太小。過小的齒根圓角曲率半徑增大了大螺旋齒輪在工作過程中齒根處的應(yīng)力集中，導(dǎo)致其彎曲疲勞壽命明顯降低。齒輪心部的顯微組織和硬度也會明顯地影響齒輪的疲勞性能。隨著心部硬度的增加，其對齒輪硬化層的支撐作用也會增加，從而提高齒輪的疲勞強度。

對大螺旋齒輪工作過程中的嚙合斑點尺寸進(jìn)行測定，結(jié)果如圖6所示。

圖6 失效大螺旋齒輪工作時的嚙合斑點

根據(jù)GB/T 13924－2008«漸開線圓柱齒輪精度 檢驗細(xì)則»和GB/Z 18620.4－2008«圓柱齒輪檢驗實施規(guī)范 第4部分：表面結(jié)構(gòu)和輪齒接觸斑點的檢驗»的規(guī)定可知：圖6中大螺旋齒輪實際的嚙合斑點尺寸在齒寬方向明顯小于標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求。

由上述分析可以得出大螺旋齒輪的斷裂過程如下：大螺旋齒輪在工作過程中的彎曲應(yīng)力作用下，由于齒輪的齒根圓角曲率半徑和嚙合斑點尺寸較小，造成了齒根處的應(yīng)力集中，并且由于輪齒心部硬度偏低，對表面硬化層的支撐作用弱，最終導(dǎo)致裂紋在輪齒凸面中部偏小端齒根附近萌生。隨著彎曲應(yīng)力的持續(xù)作用，萌生后的裂紋以裂紋源為中心向輪齒的兩端及輪齒心部擴展。裂紋在向小端擴展時，會向齒頂方向翹起，導(dǎo)致其擴展過程的阻力逐漸減小，使得裂紋迅速擴展到小端端部。裂紋在向大端擴展時，擴展阻力相對較大，擴展速度小于小端的，這就導(dǎo)致向小端擴展的裂紋已經(jīng)擴展至端部時，而向大端擴展的裂紋還未擴展至端部，這也就使得齒輪折斷時剩余了大端瞬斷區(qū)內(nèi)來不及擴展的一段。

改進(jìn)措施

(1)更換齒頂圓角更大的齒輪加工刀具，以增大齒根圓角曲率半徑，降低齒根處的應(yīng)力集中程度。

(2)對齒輪進(jìn)行檢驗，保證大螺旋齒輪以及與其配合的錐齒輪加工合格，并且嚙合斑點尺寸符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求。

(3)建議采用淬透性良好的20CrMnTiH鋼制造大螺旋齒輪，以獲得穩(wěn)定且合格的心部硬度，進(jìn)而提高齒輪心部對表層的支撐作用。

(4)在齒輪生產(chǎn)過程中增加強力噴丸工藝以提高齒輪的彎曲疲勞強度。

應(yīng)用效果

將大螺旋齒輪的齒根圓角曲率半徑增大到3.5mm，并將齒輪材料由原來的20CrMnTi鋼換為淬透性良好的20CrMnTiH鋼，適當(dāng)調(diào)整齒輪輪齒齒形并增加強力噴丸工藝。改進(jìn)后，經(jīng)過裝機試驗跟蹤，大螺旋齒輪的使用壽命已超過規(guī)定的壽命(2000h)，未再發(fā)生早期斷齒失效情況。