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齒輪是機(jī)械中傳遞功率和運(yùn)動(dòng)的重要部件，具有傳動(dòng)比準(zhǔn)確、傳動(dòng)平穩(wěn)以及傳動(dòng)速度、傳動(dòng)比、傳動(dòng)功率范圍大等優(yōu)點(diǎn)，在各機(jī)械領(lǐng)域尤其是航空領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。此外，齒輪的工作條件復(fù)雜，一般無(wú)過(guò)載保護(hù)，因此對(duì)其加工精度、安裝、組合及使用的要求均很高，盡管如此，齒輪的失效在航空領(lǐng)域發(fā)生的概率也很高，且往往會(huì)引起嚴(yán)重的事故。疲勞是齒輪破壞的最主要形式，常見(jiàn)的有齒面疲勞剝落、齒根彎曲疲勞以及不同振動(dòng)形式的疲勞開(kāi)裂等。齒輪的振動(dòng)疲勞是齒輪安全運(yùn)行威脅最大的一種破壞形式。對(duì)于直齒輪，一般不存在周期性變化的軸向分力，所以很少發(fā)生振動(dòng)疲勞破壞，但對(duì)于薄壁直齒輪，制造和使用過(guò)程中的一些不正常操作也會(huì)使其存在軸向分力，該分力為導(dǎo)致齒輪發(fā)生典型振動(dòng)破壞的激振力。

某飛機(jī)附件用傳動(dòng)裝置在裝配廠完成首次裝配后未使用，拆裝后進(jìn)行磁力探傷時(shí)發(fā)現(xiàn)某手動(dòng)傳動(dòng)直齒輪齒根部位有10條裂紋。該缺陷齒輪的材料為12Cr2Ni4A，表面滲碳，表面滲碳硬度不小于59 HRC。齒輪的生產(chǎn)工藝路線為：模鍛件—粗車外圓端面及孔—滾齒—滲碳—半精車—淬火—回火—精車—拉套齒—磁力探傷—最終檢驗(yàn)—氧化磷化—外觀檢查。

該缺陷直齒輪為薄壁結(jié)構(gòu)，共有52個(gè)輪齒，磁力探傷后發(fā)現(xiàn)齒輪正反兩面共有10條裂紋，裂紋均位于齒槽根部，裂紋分布情況見(jiàn)圖1。其中，正面有7條裂紋，反面有3條裂紋，間隔呈90°分布，呈現(xiàn)節(jié)徑型振動(dòng)的分布特點(diǎn)。裂紋的走向一致，均從輪齒齒槽與端面倒角處起始，向齒槽和端面擴(kuò)展，見(jiàn)圖2。輪齒表面可見(jiàn)清晰的加工痕跡，未見(jiàn)長(zhǎng)期使用形成的明顯的接觸磨損痕跡，見(jiàn)圖3，說(shuō)明該齒輪并非長(zhǎng)期使用。

圖1 缺陷直齒輪的宏觀形貌及裂紋分布：（a）正面；（b）反面

圖2 缺陷直齒輪上的裂紋形貌：（a）輻板側(cè)；（b）齒槽底部

圖3 缺陷直齒輪齒面的加工痕跡

齒輪齒間裂紋的性質(zhì)為振動(dòng)疲勞，且裂紋的分布呈節(jié)徑型振動(dòng)破壞的特點(diǎn)。齒輪節(jié)徑型振動(dòng)破壞為齒輪振動(dòng)疲勞失效中一種危害最大的破壞模式。

節(jié)徑型振動(dòng)破壞是一種在交變應(yīng)力作用下的破壞模式。從航空齒輪失效案例來(lái)看，齒輪出現(xiàn)振動(dòng)破壞的交變應(yīng)力幾乎都來(lái)源于齒輪的工作過(guò)程。這是由兩種原因造成的：

（1）齒輪的設(shè)計(jì)缺陷。目前，由于齒輪設(shè)計(jì)上的巨大進(jìn)步，單純由設(shè)計(jì)而導(dǎo)致齒輪在工作過(guò)程中發(fā)生典型的振動(dòng)破壞已不再存在，此齒輪為仿制機(jī)型，設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)過(guò)了坎貝爾計(jì)算和使用考核，在實(shí)際工作過(guò)程中傳遞的扭矩比參考齒輪的小很多，在工作轉(zhuǎn)速下由外界激振產(chǎn)生共振破壞的可能性較小。

（2）齒輪在制造裝配過(guò)程的超差可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)偏離，從而在使用過(guò)程中于某過(guò)渡轉(zhuǎn)速下發(fā)生瞬間共振。缺陷直齒輪的計(jì)量結(jié)果表明，齒頂圓直徑、輪緣厚度、輻板厚度等參數(shù)均與樣機(jī)參考齒輪的相當(dāng)，未見(jiàn)與設(shè)計(jì)偏差的現(xiàn)象。

此外，無(wú)論是設(shè)計(jì)缺陷還是實(shí)物偏差造成齒輪發(fā)生節(jié)徑型破壞都必須存在兩個(gè)前提條件：

其一為導(dǎo)致齒輪產(chǎn)生節(jié)徑型振動(dòng)的軸向力，即激振力，直齒輪在正常工作過(guò)程中不存在這樣的軸向分力；

其二為交變應(yīng)力，此齒輪經(jīng)制造出廠后在裝配廠完成首次裝配后未曾使用，因此不存在工作過(guò)程中的共振。

鑒于此，應(yīng)從生產(chǎn)加工和裝配流程上查找齒輪振動(dòng)激振力的來(lái)源。齒輪的裝配均為手工完成，裝配過(guò)程中不可能存在引起疲勞破壞的循環(huán)應(yīng)力。

綜上所述，可以排除設(shè)計(jì)及裝配環(huán)節(jié)引起的齒輪振動(dòng)。激振力的來(lái)源可能存在于齒輪制造過(guò)程中。在齒輪的制造過(guò)程中，除加工偏差外，在切削力、傳動(dòng)力、慣性力、夾緊力以及重力的作用下，也會(huì)產(chǎn)生變形和振動(dòng)。這種變形和振動(dòng)，一方面將破壞滾刀和工件之間的成形運(yùn)動(dòng)和相互位置關(guān)系，影響切削運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，從而產(chǎn)生加工誤差并影響表面粗糙度。但對(duì)于加工引起的振動(dòng)還將導(dǎo)致更為嚴(yán)重的后果。齒坯加工過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)分為強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)，強(qiáng)迫振動(dòng)一般來(lái)源于滾齒刀具刃部不連續(xù)切削產(chǎn)生的切削力的周期性變化，而其它成因，如齒坯、芯軸質(zhì)量不平衡產(chǎn)生慣性力矩帶來(lái)的振動(dòng)和系統(tǒng)外部的周期性激振力也能引起齒輪的強(qiáng)迫振動(dòng)。根據(jù)自激振動(dòng)論，低速或高速切削時(shí)的振幅較小，因此自激振動(dòng)很小，與強(qiáng)迫振動(dòng)相比可忽略不計(jì)。故可認(rèn)為工藝系統(tǒng)的振動(dòng)主要為不連續(xù)切削造成的強(qiáng)迫振動(dòng)。而加工夾具直接影響加工質(zhì)量，此型齒輪在加工磨削過(guò)程中，采用懸臂式固定方式，同時(shí)齒輪輻板薄，直徑大，會(huì)產(chǎn)生傾斜，這樣便給直齒輪附加了一個(gè)不正常的軸向分力，為節(jié)徑型振動(dòng)提供了激振源，當(dāng)磨削頻率與齒輪的自振頻率發(fā)生耦合時(shí)，便產(chǎn)生受迫振動(dòng)。若磨削量很大，即便磨削頻率與齒輪的自振頻率未耦合也可能會(huì)造成齒面波紋，從而產(chǎn)生節(jié)徑型振動(dòng)。

上述分析表明，導(dǎo)致直齒輪發(fā)生節(jié)徑型振動(dòng)破壞的主要原因是齒輪在磨削過(guò)程中的裝夾方式不當(dāng)而導(dǎo)致齒輪產(chǎn)生受迫振動(dòng)；另一方面，裂紋沿倒角線性起源，倒角并不是圓弧過(guò)渡，而是呈一梯形凸角，從而導(dǎo)致形成兩個(gè)鈍角，且倒角處可見(jiàn)明顯的機(jī)加工痕跡，容易造成此處應(yīng)力集中，對(duì)裂紋的萌生具有一定的促進(jìn)作用。

避免齒輪產(chǎn)生共振應(yīng)從兩方面進(jìn)行改進(jìn)：

一是在設(shè)計(jì)上更改齒輪的結(jié)構(gòu)和尺寸；

二是避開(kāi)共振轉(zhuǎn)速。

但對(duì)于此直齒輪，導(dǎo)致其共振的原因是磨削加工過(guò)程帶來(lái)的受迫振動(dòng)，與齒輪的設(shè)計(jì)以及發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，因此應(yīng)更改夾具結(jié)構(gòu)。對(duì)于薄壁齒輪而言，采用夾輻板的裝夾方式能有效避免其在加工過(guò)程中的振動(dòng)。