內燃機后傳動齒輪系強度改進提高探析

王文杰

（海軍駐西安地區某軍事代表室，陜西 西安 710021）

上世紀90年代初期，某型艦用內燃機改裝后功率大幅度增加，但由于當時國內機加工行業工業基礎薄弱、工藝方法滯后等原因，后傳動齒輪系齒輪的強度沒有進行相應的改進提高，以至多次發生了后傳動齒輪系統（從曲軸哈呋齒輪至螺桿泵傳動系統）齒輪輪齒斷裂、擠傷等重大質量事故。

1 故障原因分析

該型機后傳動齒輪系同時驅動凸輪軸及螺桿泵壓縮機，因此，對后傳動齒輪本身的強度提出很高的要求。經過對原齒輪系分析，發現該系列齒輪本身存在如下問題：

齒輪材料原采用40CrNi，輪齒表面及齒根采用中頻淬火工藝進行硬化處理，淬火處理完成后對齒面、齒根進行磨削加工。由于表面淬火方法本身的不足，加之工廠專用設備精度下降，中頻淬火后，齒輪輪齒表面的硬化層深度不均勻，存在個別齒根沒有淬硬層的現象，加之磨削齒根后，齒根部位形成拉應力。所有這些，嚴重影響了齒輪的彎曲強度，特別對承受載荷較重齒輪的可靠運行造成了威脅[1]。

2 采取的技術措施

解決該型內燃機后傳動齒輪系齒輪本身強度不足問題，即齒面淬硬層不均勻問題，最有效的方法，是更換原材料40CrNi，進行工藝調整，將齒輪的熱加工工藝由中頻表面淬火改為滲碳淬火，采用圓弧磨前滾刀加工齒根，以代替原來磨削齒根的加工工藝，最后對齒面齒根進行噴丸強化處理。

2.1 更選材料

經計算分析，后傳動齒輪系中承載最嚴重的3種齒輪已超過材料使用范圍。經過將此3種齒輪的材料由40CrNi改為滲碳淬火材料，同時對其加工工藝進行完善。

圍繞滲碳材料的選擇問題，對常用的生產齒輪的12CrNi3、F173與原材料40CrNi的模擬產品進行了力學性能試驗。試驗的前提為3種材料的試樣尺寸（產品熱處理有效厚度）相同，且在試驗過程中調整熱處理工藝，以保證3種試樣表面硬度及芯部抗拉強度一致。通過對力學性能試驗數據的分析得知：12CrNi3的綜合機械性能優于F173，且與經調質處理后的40CrNi相接近，并結合有多年12CrNi3熱處理經驗的實際情況，決定選用12CrNi3。

2.2 工藝調整

經齒面中頻淬火后的齒輪，其輪齒表面淬硬層與非淬硬層過渡界線明顯，硬度分布梯度大，同時淬硬層不均勻（工廠專用設備精度下降，是造成硬化層不均的原因之一），如齒根沒有淬硬，就易造成表面裂紋。而經滲碳淬火磨削后的齒輪，具有表面硬度高、齒面硬化層均勻等優點。相比之下，滲碳淬火齒輪的表面接觸強度，比中頻淬火齒輪的表面接觸強度成倍增長，且彎曲強度前者比后者增加50%以上。

為了進一步提高滲碳淬火齒輪的彎曲強度，決定采用圓弧磨前滾刀切出齒形。這樣磨齒后，齒面可與齒根基本相切，齒根可以不磨削，有效克服了普通滾刀切出的齒輪經磨齒后，齒根出現與磨削余量一樣厚的臺階，引起應力集中，而要消除此臺階，必須磨削齒根，這樣就在齒根部位產生拉應力，使得齒根彎曲強度降低。使用圓弧磨前滾刀后，可將齒輪彎曲疲勞強度提高40%～50%。

2.3 強化處理

所采取的提高齒輪彎曲強度的另一種方法，是在齒面精磨前對齒面齒溝進行噴丸強化處理。經對磨削齒根及不磨削齒根兩種齒輪齒根部位應力點測試，磨齒根后齒根處的應力為拉應力，與齒輪承受彎曲載荷時根部受拉伸應力的情況一致，極易損壞。而采用磨前滾刀加工后的齒輪其根部，是受壓應力，但數值較小。如再增加噴丸強化處理，就可以更好地抵消齒輪工作過程中齒根部位產生的彎曲應力，提高了承載齒輪抗彎曲疲勞的極限。

3 試件生產

（1）在滲碳淬火材料確定下來以后，投產 3件齒輪Z39（Z）、1431 及 1Z39（Z）1825、1Z39（Z）1861 來驗證改進效果。

（2）為了確保提高齒輪自身強度措施的有效性，試驗齒輪生產過程中，對3種齒輪采用中頻淬火（40CrNi）及滲碳淬火（12CrNi3）的接觸疲勞強度及彎曲疲勞強度進行了對比計算分析。結果表明，齒輪材料由40CrNi改為12CrNi3，用滲碳淬火工藝取代中頻淬火工藝后，齒輪的接觸強度提高21%，彎曲強度提高27%。具體數值見表1。

表1 齒輪接觸強度和彎曲強度對比表

（3）為了證實齒溝噴丸強化后對壓應力的影響，在Z39（Z）1431齒輪的制造過程中，對該齒輪噴丸前后齒溝的殘余應力進行了測量。噴丸前，齒根殘余壓應力為-225～-252 MPa；噴丸后，齒根殘余壓應力為-952～-1008MPa。結果證明，齒溝噴丸強化確實起到了強化齒根壓應力的作用。而原中頻淬火齒溝磨削的齒輪齒根處呈殘余拉應力，應力值為+84 MPa，對齒輪工作是不利的。

4 結束語

為驗證實機運行效果，保證裝備部隊后不留隱患，進行了嚴格的200 h耐久試驗。通過對后傳動齒輪系的拆檢發現，試驗前后，各齒輪嚙合副齒隙及齒面貼合數值穩定，改材料后的3種齒輪沒出現異常磨損現象，且表面未發現裂紋及其它任何缺陷。拆檢結果表明，經改進提高后的后傳動齒輪系經200 h考核試驗后，運轉情況良好。另外，此內燃機后齒輪系裝備部隊使用后，經多年跟蹤監控，無重大質量問題發生。由此證明，采取的提高齒輪本身強度的技術措施，起到了提高該型內燃機后傳動齒輪系可靠性的作用，達到了預期效果。

[1]門 強.淺談齒輪滲碳后淬火的質量分析[J].機械管理分析，2005，(4):26-27.

[2]Kumar Balan.齒輪強化的應用[J].現代零部件，2007,(10):39-40.