交錯螺旋齒輪磨損原因分析

薛紅軍，靳 軍

（1.海軍駐上海七〇四研究所軍事代表室，上海 200031；2.上海船舶設備研究所，上海 200031）

交錯螺旋齒輪磨損原因分析

薛紅軍1，靳 軍2

（1.海軍駐上海七〇四研究所軍事代表室，上海 200031；2.上海船舶設備研究所，上海 200031）

對交錯螺旋齒輪的齒面磨損進行原因分析，包括熱處理工藝檢查和有限元計算，明確磨損是由于螺旋齒輪的強度不足所致。對螺旋齒輪主動輪采取滲碳淬硬，從動輪采取離心澆鑄，并通過 500小時試驗驗證，磨損問題獲得解決。

箱體螺旋齒輪；磨損；試驗；有限元

0 引言

交錯螺旋齒輪用來傳遞空間中兩交錯軸間的運動，就單個齒輪而言都是斜齒輪，具有制造工藝簡單，可以方便實現任意軸交角間的傳動，方便湊配中心距以及對軸交角、中心距誤差不敏感等優點[1]。但因為交錯螺旋齒輪屬于點接觸傳動，接觸應力相對平行軸齒輪傳動更大、承載能力低、易發生磨損，較少用于動力傳動結構中。

某傳動采用交錯螺旋齒輪結構用于調節自身的動力來源，圖1所示是該交錯螺旋齒輪的傳動三維示意圖，其中主動輪齒數23，從動輪齒數35，法向模數為2.0。交錯螺旋齒輪主動輪套裝在減速器轉子上，通過交錯螺旋嚙合帶動從動輪工作，從動輪再通過花鍵連接機組的調節系統，為機組提供調節動力油及潤滑油。此傳動結構在試驗中，發生交錯螺旋齒輪齒面磨損故障，圖2所示是交錯螺旋齒輪從動輪和主動輪的拆檢照片。

圖1 交錯螺旋齒輪傳動示意

圖2 從動輪(左)與主動輪拆檢照片

1 故障原因分析

該交錯螺旋齒輪主動輪材質為42CrMo，調質處理，從動輪材質為ZCuSn10P1，砂型澆鑄。由圖2拆檢照片可見，從動輪齒面磨損嚴重，主動輪齒面也有磨痕。該傳動結構的原型結構長期試驗運行考核后齒面無明顯磨損現象。該傳動的結構與母型結構一致，交錯螺旋齒輪的安裝、噴油等檢查結果均滿足設計要求，與母型結構一致。前期設計過程中也對交錯螺旋齒輪母型的齒形參數及材質成分進行過檢測，但并未對熱處理工藝進行檢查。因此，在結構參數、安裝、噴油等要素均滿足設計要求的情況下，本次交錯螺旋齒輪磨損的原因很可能是由于不同的熱處理工藝差異所致。

1.1 熱處理工藝檢查

交錯螺旋齒輪發生磨損后，對母型結構交錯螺旋齒輪進行硬度及熱處理工藝檢查，檢查結果見表1。

表1 交錯螺旋齒輪熱處理檢查對比表

由上表可見，母型結構交錯螺旋齒輪的齒面硬度均明顯高于本傳動結構的硬度，查閱有關文獻可知，提高齒面硬度可以在很大程度上提高齒輪齒面的耐磨損壽命[2]。本傳動交錯螺旋齒輪齒面硬度較低，嚙合時齒面接觸應力可能已超過疲勞許用接觸應力，導致齒面發生磨損。

1.2 有限元計算

1.2.1 計算模型

為考察本傳動交錯螺旋齒輪的齒面接觸應力，利用Ansys軟件對交錯齒輪進行有限元計算分析，圖3所示是交錯螺旋齒輪的裝配及有限元計算模型。圖中，上方是主動輪，下方是從動輪，在模型簡化過程時，有限元計算中分別對主動輪與從動輪取一部分齒進行分析。

圖3 交錯螺旋齒輪裝配及有限元計算模型

1.2.2 網格劃分及計算設置

網格劃分以六面體網格為主，并對接觸齒面進行加密處理。計算約束設置中，主動輪施加圓柱約束，保持周向轉動自由和扭矩，根據功率計算扭矩為3.43N·m；從動輪施加固定約束。圖4是模型的網格劃分和約束設置。根據該機組交錯螺旋齒輪的相關參數計算，重合度為1.83，因此有兩對齒同時嚙合，有限元計算中設置了兩對接觸對。

圖4 交錯螺旋齒輪網格劃分及約束設置

1.2.3 計算結果及分析

圖5所示是有限元計算結果，接觸分別發生在齒根和齒頂附近，由圖可見，因為是點接觸，應力主要集中在一個較小的區域里，最大應力約為335MPa。

圖5 交錯螺旋齒輪計算結果分布

查螺旋齒輪材料的表面疲勞極限值σHlim[3]，從動輪采用砂型澆鑄，主動輪調質未滲碳淬硬處理時，σHlim=199MPa。根據前面的計算結果可知，計算接觸應力大于疲勞極限值，因此容易發生磨損。

2 整改措施

根據熱處理工藝檢查和有限元計算結果可知，本傳動交錯螺旋齒輪采用調質處理和砂型澆鑄，齒面接觸應力超過表面疲勞極限。考慮母型結構交錯螺旋齒輪分別采用表面淬硬和離心澆鑄工藝，查手冊知，齒面疲勞極限σHlim=425MPa，大于計算接觸應力，滿足使用要求。因此，針對交錯螺旋齒輪采取改進措施：交錯螺旋齒輪主動輪改用20CrMnTi，齒面滲碳淬硬處理；從動輪ZCuSn10P1，離心澆鑄處理。

3 試驗驗證

對本傳動交錯螺旋齒輪按整改措施替換后，機組進行500小時運行試驗，試驗中安排有高低工況轉換考核項目。其中，高低工況轉換時，螺旋齒輪主動輪轉速在數秒內由1930r/min升高到2900r/min，或者反向變化，試驗中累積雙向轉換100次。經過這些嚴酷的試驗考核后，對交錯螺旋齒輪進行拆檢檢查，見圖6所示，并測量齒厚，見表2所示。齒面痕跡及齒厚測量均表明，交錯螺旋齒輪無磨損，采取的整改措施合理有效。

圖6 500小時試驗后齒輪拆檢照片

表2 交錯螺旋齒輪齒厚測量表

4 結論

通過對本傳動交錯螺旋齒輪進行熱處理工藝檢查和有限元計算分析后，明確了磨損原因，交錯信號螺旋齒輪熱處理工藝不合理是導致磨損的主要因素。同時，根據磨損原因采取了提高齒面接觸強度的相應整改措施，即對主動輪進行滲碳淬硬處理，從動輪離心澆鑄處理。通過500小時連續運行試驗表明，采取的措施可以有效提高交錯螺旋齒輪的耐磨性。

[1]趙亞平.齒輪嚙合理論研究與試驗分析[D].北京:中國農業大學,2002.

[2]孫紅,常小芳.材料副的硬度對齒輪磨損壽命的影響[J].沈陽工業大學學報,2003,25(2):98-100.

[3]齒輪手冊編委會編.齒輪手冊(上冊)[M].北京:機械工業出版社,2002.

Cause Analysis of the Spiral Helical Gear

XUE Hong-jun1,JIN Jun2
(1.Naval representative Office at No.704 Research Institute,Shanghai 200031,China; 2.Shanghai Marine Equipment Research Institute,Shanghai 200031,China)

The wearing cause of the spiral helical gear is analyzed by checking the heat treatment method and by using finite element calculation.The inadequate strength of spiral helical is the main cause.The problem is solved by carburizing and quenching the driving gear and by centrifugal casting the driven gear.The method is verified by 500-hour test.

spiral helical gear; wear; experiment; finite element

TP132.41

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.05.015

薛紅軍（1969-），男，碩士。研究方向：輪機工程。