出口大功率發動機齒輪輪系失效分析

東風汽車有限公司刃量具廠技術開發部（湖北十堰 442002）楊 鍇

我廠為某國外客戶供應某型19L大功率發動機齒輪，2013年度下半年售后服務部門接到外方通知稱一組發動機齒輪發生失效，輪系由10個齒輪共同組成，其中的7個部件都有不同程度的損傷，且各有特點。該輪系中各個齒輪模數為2.5，材料成分執行東風企業標準Q/DFLCM1431－2007《汽車齒輪滲碳用鋼》中的20CrMnTiH鋼的要求。熱處理技術要求為滲碳淬火，馬氏體（或殘留奧氏體）級別≤3級，碳化物級別≤3級。表面硬度57～62HRC，心部硬度25～45HRC，有效硬化層深0.41～1.00mm。應我廠要求，外方直接從損壞的發動機上拆解獲得該批7個齒輪失效件并寄送至我廠復檢，每個齒輪的具體信息如表1所示。

1.取樣過程

根據輪系中的每個齒輪的失效模式和受損程度選取代表性部位切取試樣，并對試樣做好標識，圖1是各齒輪取樣照片。

表1 輪系中各齒輪失效形態具體信息

圖1 輪系中各齒輪取樣照片

2.樣件檢驗結果

對于輪系中的各個齒輪的殘件中提取到的樣品，使用瑞士產ARL 3460 OES型光譜直讀分析儀對齒輪材料的化學成分進行分析，檢測結果如表2所示。用HR-150A型洛氏硬度計依據GB/T 230－1991《金屬洛氏硬度實驗方法》測試齒的表面硬度和心部硬度，用恒一F-700型維氏顯微硬度計依據GB9450－2005《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測定和校核》用9.8N（1kg）載荷進行硬度梯度以及有效硬化層深的測量，按照國標檢測以550HV處作為有效硬化層深的判定界限，對于輪系中的各個齒輪的測試結果如表3所示。

將硬度梯度測試結果用曲線圖形式予以表達，輪系中的各個齒輪的硬度梯度圖分別如圖2所示，縱坐標為維氏硬度，橫坐標為測試點離開齒節圓部位表面的距離，虛線表示齒左側節圓線處的硬度隨著距離變化的趨勢，實線表示齒右側節圓線處的硬度隨著距離變化的趨勢。根據國家標準GB/T 13298－1991《金屬顯微組織檢驗方法》，將輪系中的各個失效齒輪的殘齒制樣磨拋好，用4%硝酸酒精腐蝕，并使用NEOPHOT32型金相顯微鏡對于殘齒進行微觀組織檢測。檢測條件為31℃，濕度52%RH。節圓處殘留奧氏體評級結果和齒尖角處碳化物評級結果如表4所示，節圓處殘留奧氏體金相照片和齒尖角處碳化物金相照片分別如圖3和圖4所示。

3.試樣檢驗結果分析

（1）與熱處理技術要求進行對比知所有超出要求的項目有：凸輪軸齒輪表面硬度54.0HRC，空壓機齒輪有效硬化層深1.20mm，凸輪軸齒輪有效硬化層深0.56～0.57mm。

（2）從各齒輪左右側節圓處硬度梯度圖可以直觀看出轉向油泵齒輪、曲軸齒輪、高壓油泵惰齒輪、凸輪軸齒輪、高壓燃油泵齒輪熱處理后的機械加工工藝可確保使其得到近似對稱研磨的齒面。而空壓機齒輪、凸輪軸惰齒輪在該方面要略差一些。

4.分析討論

總體來講，對于失效齒輪的分析，應該對失效后的輪系甚至整機進行全面的檢查與分析判斷，并根據現場調查情況取樣分析，判斷并查找到肇事件非常重要。

表2 輪系中各齒輪化學成分分析結果(質量分數） （%)

表3 輪系中各齒輪表面硬度、心部硬度和左右側節圓處有效硬化層深測試結果

圖2 輪系中各齒輪左右側節圓處硬度梯度

圖3 輪系中各齒輪節圓處殘留奧氏體金相照片

表4 輪系中各齒輪節圓處殘留奧氏體和齒尖角處碳化物評級結果

圖4 輪系中各齒輪齒尖角處碳化物金相照片

檢驗結果不符合熱處理技術要求的是空壓機齒輪和凸輪軸齒輪試樣。雖然對于樣件的符合性檢驗工作已經基本完成，但是根據檢驗結果還需要對于整個輪系做全面的分析，盡可能的還原齒輪失效的整個過程。對于手里僅有的7個失效件來講，準確推斷整個發動機及相關機構運轉過程當中哪個部件是肇事件是非常困難的，但還可從失效齒輪的宏觀特征、失效模式以及獲取的檢驗數據并結合齒輪嚙合的關系做一些探討。

據了解，出口大功率發動機齒輪在箱體內的運行方式如圖5所示。曲軸齒輪依靠軸傳遞的動力進行轉動，然后分別帶動高壓油泵惰齒輪和高壓燃油泵齒輪組成的齒輪組、凸輪軸惰齒輪和凸輪軸齒輪組成的齒輪組以及帶動其下方的齒輪組同時運轉。顯然曲軸齒輪在整個輪系中的位置非常重要，下面根據得到的檢驗數據對輪系中的各個齒輪逐一進行分析。

（1）轉向油泵齒輪 在所有送檢的受損齒輪中損傷程度最輕，局部除了輕微磕傷外基本完好，各項檢驗結果也符合技術要求，顯然不是關注的重點。

（2）空壓機齒輪 齒面磨損打齒4個齒根異常接觸啃傷，斷齒斷口為一次性斷口，顯然是在齒輪輪系的正常運轉受到破壞后被連帶損壞，其斷齒和有效硬化層深超差有一定的影響。但就其發展過程而言，應當排除是肇事件的可能。同時空壓機齒輪與轉向油泵齒輪都不在大功率發動機箱體內，因此在接下來的分析中將不作重點分析。

圖5 出口大功率發動機齒輪輪系

（3）曲軸齒輪 齒中部斷齒3個、齒頂多處啃傷、齒節圓接觸疲勞引起的磨損膠合點蝕。在整個大功率發動機輪系中該齒輪工作強度最大，受力最復雜。曲軸齒輪同時向三組齒輪傳遞動力，其他任何一個齒輪的損壞都會對曲軸齒輪產生影響。從齒輪的斷齒部位觀察發現，3個斷齒都位于節圓附近，而且斷口平齊。單就斷口分析而言，這種斷口類似于雙向彎曲疲勞造成的斷口，從各項檢驗數據均能夠滿足技術要求來看，正常情況下的齒輪是能夠滿足使用要求的。造成齒輪在節圓處斷齒的原因一般存在兩個原因：第一個原因是齒節圓接觸疲勞，從曲軸齒輪的節圓處可以看到整個齒輪的一側都有接觸疲勞引起的磨損膠合點蝕，這種缺陷可以進一步的擴展從而形成裂紋導致齒輪斷齒；第二個原因是齒輪在運行的過程當中，如果節圓處不斷地受到了雙向彎曲應力的持續作用（曲軸齒輪所處部位是滿足這種條件的），各種夾雜物或夾渣物就可以在節圓內部形成裂紋源然后向表面擴展。這種裂紋的最大特點是會在斷口的中部形成一個平臺，從曲軸齒輪的斷口上明顯可以看到這種特征。這種理論最早是由美國失效分析專家論證的并在國外已經逐漸被認可。持有這種觀點的外國專家認為在一組輪系中，受力最復雜和相對薄弱的齒輪容易出現這種斷口，解決的方法是對于齒輪的強度提出更高的要求，選擇純凈度更高的材料等措施以提高輪系整體的使用壽命。

（4）高壓油泵惰齒輪 由曲軸齒輪傳遞動力同時與高壓燃油泵齒輪嚙合。齒輪損壞形式為齒面磨損齒頂啃傷，各項檢驗數據符合技術要求。啃傷是輪系受損后期造成的，可以排除是肇事件的可能。

（5）凸輪軸齒輪 有節圓接觸疲勞引起的磨損膠合，個別齒頂啃傷，齒輪表面呈現出有回火色，齒根部可見潤滑油碳化附著，由此可以判斷出齒輪運行時的溫度是比較高的。凸輪軸齒輪的位置位于整個輪系的最上部，齒輪潤滑是靠潤滑管噴射潤滑和降低溫度，顯然凸輪軸齒輪在運行過程中的潤滑條件不良，使得凸輪軸齒輪和凸輪軸惰齒輪在嚙合的過程當中產生磨粒磨損，在初期形成麻點并不斷增加及擴大從而發展成較大面積的凹坑。潤滑不良可能是油的污染、流失、受熱氧化、阻塞等原因造成的，由于沒有潤滑油及時將凸輪軸齒輪的熱量帶離，造成凸輪軸齒輪的溫度不斷攀升，最終使得齒輪受到了過回火影響而使得表面硬度逐漸降低，致使接觸強度下降，并導致節圓處磨損齒面變形。通過試驗表明（如表5所示），齒輪齒面經受了約350℃的回火。這一溫度必然會導致齒面組織的變化和表面硬度的降低，綜合性能已經不能夠再滿足使用需求。

（6）高壓燃油泵齒輪 齒尖角和節圓局部異常接觸磨損，個別齒頂磕傷。高壓燃油泵齒輪與高壓油泵惰齒輪嚙合，齒輪的損傷程度比較輕。接觸磨損是失效后期造成的，和齒輪打齒之后的損傷變形有關，由于各項檢驗數據都符合要求，在整個輪系當中的工作條件相對較好，所以相對略淺的有效硬化層深也不會對齒輪帶來明顯不利的影響。

（7）凸輪軸惰齒輪 齒根打齒一個，齒頂啃傷變形崩齒，齒面壓陷。凸輪軸惰齒輪分別與凸輪軸齒輪及曲軸齒輪相互嚙合，初期因為凸輪軸齒輪軟化導致齒面變形形成異常接觸，產生的微粒磨損又擴展至曲軸齒輪，反過來又加劇了曲軸齒輪的磨損，逐漸破壞齒輪的嚙合精度，最終導致整個齒輪箱輪系失效。凸輪軸惰齒輪宏觀觀察失效特征均為繼發性失效，是在曲軸齒輪打齒以后形成的干涉過程造成的，其各項檢驗數據都符合技術要求。

5.綜合分析

通過上述分析，在該組輪系中，應當重點關注曲軸齒輪和凸輪軸齒輪，在齒輪組嚙合中失效過程最初從凸輪軸齒輪開始，由于潤滑條件不良，凸輪軸齒輪齒面溫度開始升高，同時凸輪軸齒輪的位置又位于箱體的最上方，與其他幾個齒輪相比較而言始終得不到下面潤滑油的濺射，從而開始形成磨粒磨損。脫落的磨粒被凸輪軸惰齒輪傳遞給曲軸齒輪，使得曲軸齒輪節圓也產生磨損。齒輪隨著磨損的繼續使得齒輪的嚙合精度隨之逐漸降低，沖擊載荷逐漸加大，反過來又加劇凸輪軸齒輪溫度的繼續升高。通過熱工工藝試驗表明凸輪軸齒輪在箱體失效前的溫度已經超過350℃，這一溫度的后果將導致齒輪原有性能的喪失。進一步影響的是作用在這一組齒輪中工作負荷最大的曲軸齒輪，曲軸齒輪同時在與三組齒輪進行嚙合，任何一組齒輪的失效都會最先影響到曲軸齒輪。從曲軸齒輪失效的形態來看，斷口部位在節圓附近，顯然可以排除是單向彎曲疲勞引起的，從各項檢驗數據結果來看，齒輪的各項制造質量指標都滿足了零件要求。曲軸齒輪接觸疲勞和雙向彎曲應力是導致最終斷齒的直接原因。通過在售后服務部門的了解也驗證了上述的分析結果。

表5 20CrMnTiH鋼齒輪耐受回火試驗

圖6是我廠售后服務部門走訪用戶時在現場拍到的凸輪軸齒輪失效后的照片，可以明顯看到齒輪周圍有受熱回火的顏色，而箱體其他齒輪無此現象。

6.結語

（1）空壓機齒輪、凸輪軸惰齒輪熱處理后的機械加工工藝可考慮進行適當的調整來確保使其得到近似對稱研磨的齒面。

（2）大功率發動機箱體經檢驗凸輪軸齒輪表面硬度低和有效硬化層偏淺是齒輪在箱體內局部溫度過高造成的，其他齒輪均符合技術要求。

（3）凸輪軸齒輪工作嚙合存在著潤滑不良現象，導致齒輪局部溫度超過350℃。

（4）曲軸齒輪因接觸疲勞引起的表面裂紋擴展導致斷齒或雙向彎曲應力引起的內部裂紋造成斷齒。

（5）輪系中的其他齒輪因曲軸齒輪斷齒后受其連累繼發引起失效。

圖6 凸輪軸齒輪受熱回火外觀