中齒軸斷齒失效分析及設計優化

陳宗瑞 潘安霞

(中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

0 前言

在齒輪箱中齒輪主要承擔著扭矩傳遞和速比增加的功能，齒輪斷齒是齒輪箱故障中最為嚴重的問題之一[1]。某齒輪箱在運行1年后發生了中齒軸斷齒事故，導致中間級齒輪副卡死，齒輪箱損毀嚴重。

本文結合該齒輪箱的運行情況，對斷裂齒輪進行宏微觀斷口形貌、化學成分、顯微組織以及力學性能的試驗分析，以期得到造成該齒輪箱嚴重損毀的主要原因[2]。

1 中齒軸設計要求及計算分析

1.1 設計要求

中齒軸設計壽命為20年，要求原材料采用18CrNiMo7-6低碳合金鋼，滿足ISO6336-5中MQ等級要求，鍛造比大于7，超聲波探傷要求開齒部位缺陷不大于?2 mm，其他部位缺陷不大于?3 mm。齒面要求采用滲碳淬火工藝，表面硬度為58～62 HRC，芯部硬度為30～42 HRC，有效硬化層深2.4～2.9 mm。

關于齒軸計算強度要求，在極限扭載荷下齒輪靜強度安全系數如下：接觸強度安全系數SH>1.0，彎曲強度安全系數SF>1.4，在時序疲勞載荷下的齒輪疲勞強度安全系數為SH>1.2,SF>1.5。

圖1為某齒輪箱中齒軸外形結構示意圖，表1為某齒輪箱中齒軸齒輪主要參數。

圖1 中齒軸結構示意圖

表1 中齒軸齒輪參數

1.2 強度驗算結果

根據ISO 6336—2006標準驗算極限載荷下的中齒軸靜強度安全系數如下：SH靜=1.534,SF靜=3.162。滿足GL2010關于齒輪靜強度安全系數SH>1.0，SF>1.4的要求。

根據ISO 6336—2006標準，在KHβ=1.15,KV=1.05的情況下，疲勞強度安全系數為：SH=1.274,SF=1.895。滿足GL2010關于齒輪疲勞強度安全系數SH>1.2，SF>1.5的要求。

2 試驗檢測與分析

2.1 宏觀形貌分析

圖2是失效的中齒軸宏觀形貌照片，斷齒位置位于I區和II區。其中I區斷裂位置在齒面中間部位，在其斷面處發現具有疲勞特征的貝紋線，值得注意的是疲勞源位于齒面中間部位，而并非位于彎曲應力最大的齒根處。II區的斷齒斷面具有一次性脆性斷裂特征。根據以上特征可以推斷I區首先發生疲勞斷裂，造成工作面局部承載應力較大，從而導致II區隨后斷裂。

圖2 中齒軸損傷宏觀形貌

圖3是在齒輪箱內找到的掉塊試樣，掉塊長約220 mm，斷面呈銀灰色，局部存在輕微磨損痕跡，未見腐蝕形貌，根據以上特征可以推斷該掉塊試樣與I區斷口相對應。整個斷面密布疲勞貝紋弧線，弧線收斂于斷面中部，圖4箭頭所指處，疲勞源位于距離工作面約4 mm處。

圖3 I區斷口對應的掉塊宏觀形貌照片

圖4 I區斷口對應的掉塊疲勞源處局部放大照片

2.2 斷口微觀形貌分析

為進一步分析中齒軸的斷齒原因，將掉塊試樣經乙醇超聲清洗后放入掃描電鏡觀察，如圖5和圖6所示。疲勞源區存在一個尺寸大致為2 070 μm×312 μm的不規則長方條形區域，由較多條塊狀顆粒組成，該區域在電鏡下呈深灰色，明顯區別于基體顏色，且與基體存在空隙，疑似為雜質缺陷。表2是圖6方框區域的能譜測試結果，疲勞源區缺陷除基體成分外，還含有較多的氧、鋁、硫和鈣元素。

圖5 掉塊試樣疲勞源附近掃描電鏡照片(×7)

圖6 疲勞源處微觀形貌(×32)

表2 疲勞源區能譜分析結果 /%

2.3 顯微組織分析

采用線切割的方法從中齒軸斷齒輪齒部位取齒塊試樣進行顯微組織分析，對所取齒塊截面進行磨拋制成金相試樣，并采用4%的硝酸乙醇溶液進行侵蝕，然后使用金相顯微鏡對其組織進行觀察。圖7是齒塊節圓表面金相組織，該區域組織為回火馬氏體+少量殘余奧氏體+彌散顆粒狀碳化物。圖8是齒根表面金相組織，該區域次表面組織和節圓一致，但表面存在深約35 μm的非馬氏體層。非馬氏體層是由于齒輪表面內氧化的產生及合金元素的貧化，使得該區域淬透性降低，導致在隨后的淬火過程中形成屈氏體和貝氏體[3-4]。節圓表面由于受到磨加工，其非馬氏體層可以去除，而齒根處磨加工量較小，其非馬氏體層仍然保留。圖9是齒塊心部金相組織，該區域組織為貝氏體+回火馬氏體，該區域洛氏硬度為37HRC。

圖7 節圓處表面金相組織(×500) 圖8 齒根處表層金相組織(×500)

圖9 齒塊心部金相組織(×500)

2.4 材料成分分析

從中齒軸斷齒輪齒中部鉆取碎屑試樣進行化學成分分析，以避免表面滲碳的影響，其檢測結果表明，檢測樣品材料各成分數據近EN 10084—2008中牌號為18CrNiMo7-6的合金鋼。檢測結果與標準合金鋼化學成分對比如表3所示。

表3 中齒軸的化學成分(質量分數) /%

2.5 力學性能檢測與分析

2.5.1顯微硬度測試

采用線切割從中齒軸斷齒輪齒上取齒塊樣，磨制截面后根據GB/T 9450—2005《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測定和校核》標準分別對齒塊節圓和齒根處進行淬硬層深度測試，測試位置如圖10所示。①、②、③處淬硬層深度分別為2.380 mm、2.327 mm、2.100 mm(見圖11)。

圖10 淬硬層深度測試位置示意圖

圖11 淬硬層深度測試位置示意圖

2.5.2拉伸性能檢測

對中齒軸斷齒輪齒的拉伸性能進行測試，依據GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第一部分：室溫試驗方法》進行測試，其拉伸性能測試結果如表4所示。測試結果表明材料的強度指標和塑性指標均高于技術條件。

表4 材料的拉伸性能數據

2.5.3沖擊性能檢測

根據GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》要求，制備夏比沖擊標準V型缺口試樣，缺口深度為2 mm，缺口角度為45°，缺口底部曲率半徑為(0.25±0.025)mm。其測試結果如表5所示。試驗數據與技術要求對比表明，材料的常溫沖擊性能滿足技術要求。

表5 材料的沖擊性能數據

3 失效原因探討

從齒輪箱的損毀情況和斷面特征可以看出，中齒軸齒輪齒腰部斷齒面(圖2中I區)存在明顯的疲勞擴展貝紋線，屬于典型的疲勞斷口，可以判斷齒腰部首先發生疲勞斷裂，斷裂后的碎屑將潤滑油污染，導致齒面在后續嚙合中擦傷。齒輪斷齒后工作面局部接觸應力加大，導致了齒輪端部發生脆性斷裂。因此該齒輪的失效原因為I區彎曲疲勞斷裂。

齒輪工作時存在兩個主應力區：一個是表面接觸應力，它是由輸入扭矩從一個齒輪傳遞到與之嚙合的另一齒輪所引起的接觸壓應力，此承載區域隨著齒輪間的相互嚙合而在齒廓上下移動；另一個主應力是齒根彎曲應力，由于齒輪是懸臂梁結構，在受到載荷后最大彎曲拉應力發生在作為承載懸臂梁支撐點的齒根圓角處。

而上文中涉及到的齒輪疲勞源位于齒腰部距工作面4 mm處，齒輪淬硬層深度約為2.3 mm，疲勞源所處深度超出了輪齒硬化層深度，疲勞裂紋并未萌生于接觸拉應力最大的次表面和彎曲應力最大的齒根處。這可以排除設計應力分布不合理、齒根表面加工工藝不當的可能性。通過對疲勞源處的形貌和微區成分分析，源區存在一個尺寸大致為2 070 μm×312 μm的不規則長方條形區域，由較多條塊狀顆粒組成，除基體成分外，還含有較多的氧、鋁、硫和鈣等具有夾渣特征的元素，由此可以判斷為夾渣類的材質缺陷，該缺陷大幅降低了材料的疲勞壽命，從而導致齒輪早期疲勞斷裂。

4 設計改進建議

從齒輪強度驗算報告中發現中齒軸的疲勞強度安全系數要遠小于其他齒輪安全系數，是齒輪箱中最薄弱的環節。因此設計者在各級傳動比分配設計時要充分考慮各級之間的傳動形式不同和等強度，增大行星級速比、減小第二級速比。此外，在中齒軸變位系數分配時，除“AGMA等滑動法”外可以嘗試采用“ISO等彎曲B法”，增加中齒軸的正變位。

圖12是自主開發的齒輪設計系統，其提供了5種傳動比分配方法和5種變位系數分配方法。

圖12 齒輪設計系統

(1)原材料優化建議。由于中齒軸的安全裕度低，建議原材料選擇18CrNiMo7-6電渣重熔鋼錠，電渣重熔可提高原材料的純凈度和機械性能。

(2)鍛造工藝優化建議。鍛錘要有足夠的噸位，至少大于6 t，以保證齒坯的整個截面鍛透，使缺陷能夠被打碎。

(3)探傷優化建議。由于超聲波探傷存在局限性，缺陷產生的部位及其方向、分布位置都能影響探傷結果。嚴格中齒軸超聲波探傷要求，將齒部區域使用的單晶探頭更換為雙晶探頭，單個缺陷最大允許當量值為?1 mm，不允許有連續條狀缺陷，相鄰密集區域間距不得小于130 mm。

(4)滾刀優化建議。中齒軸采用全圓弧凸角留磨滾刀，增大齒根過渡圓弧，可以減小應力集中，增強齒輪抗彎曲強度[5]。

(5)表面強化建議。中齒軸增加噴丸強化工藝可帶來如下變化：①引入殘余壓應力場，表面殘余壓應力可超過-1 000 MPa，殘余壓應力深度在300 μm以上；②形變細化組織結構；③殘余奧氏體向馬氏體轉變；④表面粗糙度改變。其中噴丸殘余壓應力場、形變細化組織結構及噴丸馬氏體相變，均可提高齒輪的疲勞壽命。

5 結論

綜上分析，中齒軸斷齒是由于輪齒中部距工作表面約4 mm處的夾渣類原材料缺陷導致了早期的疲勞斷裂。上文推薦的各項建議均在實踐中取得了良好效果。