發(fā)動機(jī)起動電機(jī)驅(qū)動齒輪斷裂原因分析

王春雁 袁曉桐 王芳 郭巧慧 紀(jì)靜

摘要：試車起動過程中起動電機(jī)發(fā)出異響，為了明確異響原因?qū)ζ溥M(jìn)行拆檢，發(fā)現(xiàn)起動電機(jī)驅(qū)動齒輪的三個齒從齒根部斷裂，其它齒的齒根部位出現(xiàn)不同長短的縱向裂紋。通過對故障驅(qū)動齒輪進(jìn)行一系列的檢測分析，結(jié)果表明：起動電機(jī)驅(qū)動齒輪斷裂是由于緊固螺母擰緊未鎖緊導(dǎo)致起動電機(jī)驅(qū)動齒輪松動，從而使驅(qū)動齒輪與飛輪齒圈嚙合不穩(wěn)，產(chǎn)生的沖擊載荷過大，使得齒輪受到嚴(yán)重的沖擊，嚙合彎矩的作用下，在承受彎曲應(yīng)力最大的危險截面齒根處產(chǎn)生了裂紋源，以至于在齒輪各個齒根部產(chǎn)生不同長短的裂紋，經(jīng)過多次嚴(yán)重沖擊后最終導(dǎo)致齒輪從齒根處過載斷裂。

關(guān)鍵詞：異響;驅(qū)動齒輪;彎曲應(yīng)力;危險截面;過載斷裂

中圖分類號：TU413.5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）07-0156-02

1 ?概述

起動電機(jī)驅(qū)動齒輪材料為20CrMnTi，熱處理工藝為正火-調(diào)質(zhì)-滲碳淬火回火。對起動電機(jī)驅(qū)動齒輪的斷口形貌、化學(xué)成分、金相、機(jī)械性能進(jìn)行理化檢測分析，并對驅(qū)動齒輪受力狀態(tài)進(jìn)行分析，意在探討驅(qū)動齒輪斷裂原因，預(yù)防此類故障再次發(fā)生。

2 ?理化檢測分析

2.1 斷口形貌分析

2.1.1 斷口宏觀觀察

起動電機(jī)驅(qū)動齒輪的三個齒整體從齒根處斷裂，見圖1，其它未斷齒的齒根部位出現(xiàn)不同長短的縱向裂紋，見圖2，齒輪端面有不同程度的磨痕。

2.1.2 斷口SEM檢測分析

斷口在掃描電鏡下檢測，齒根裂紋源處呈沿晶+韌窩特征，見圖3，最后斷裂區(qū)呈等軸韌窩+剪切韌窩特征，見圖4，未見疲勞紋，無疲勞特征。

2.2 化學(xué)成分分析

對齒輪材料進(jìn)行化學(xué)成分的檢測分析，結(jié)果見表1，參照GB/T 3077標(biāo)準(zhǔn)，該齒輪的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 金相檢測分析

2.3.1 齒輪裂紋形貌

故障齒輪割樣、磨制拋光后在光學(xué)顯微鏡下檢測，裂紋源起源于齒輪根部，裂紋較平直，起始部位較寬、尾部尖細(xì)，裂紋尾部與齒根表面形成一定夾角，見圖5;參照標(biāo)準(zhǔn)JB/T6141.3《重載齒輪 滲碳金相檢驗》標(biāo)準(zhǔn)，腐蝕后檢測組織為細(xì)針狀馬氏體+碳化物，馬氏體級別2級，碳化物級別2級，為正常滲碳淬火回火組織;裂紋兩側(cè)未發(fā)現(xiàn)氧化脫碳現(xiàn)象，見圖6。

2.3.2 非金屬夾雜物檢測分析

非金屬夾雜物如果超標(biāo)會破壞基體的連續(xù)性，易產(chǎn)生應(yīng)力集中點，產(chǎn)生裂紋源。帶狀組織的存在使材料的組織不均勻，降低材料的塑性、沖擊韌性。因此對非金屬夾雜物及帶狀組織項目進(jìn)行檢測。

對失效斷裂齒輪的軸部基體縱向取樣制樣，制樣后對非金屬夾雜物及帶狀組織進(jìn)行檢測分析。參照GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗法》標(biāo)準(zhǔn)對非金屬夾雜物項目進(jìn)行檢測分析，級別為A0、B0、C0、D1.0，符合GB/T 5216《保證淬透性結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)要求。

參照GB/T34474.1《鋼中帶狀組織的評定》標(biāo)準(zhǔn)對帶狀組織進(jìn)行檢測分析，級別為2級，帶狀組織一般要求不大于2級[1]，未見異常。

2.3.3 表層、心部組織檢測分析

對故障齒輪節(jié)圓部位及齒根部進(jìn)行表層與心部組織檢測分析，參照標(biāo)準(zhǔn)JB/T6141.3《重載齒輪 滲碳金相檢驗》標(biāo)準(zhǔn)，表層組織均為細(xì)針狀馬氏體+碳化物，馬氏體級別2級，碳化物級別為2級;心部組織均為低碳馬氏體+鐵素體，級別3-4級，表層與心部組織均未發(fā)現(xiàn)異常，屬于正常滲碳淬火回火組織。

2.4 力學(xué)性能檢測

2.4.1 硬度層深檢測

對齒輪硬度、層深進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果為表面硬度56-60HRC，心部硬度40-42HRC，層深0.6-0.85mm，符合技術(shù)要求。

2.4.2 拉伸、沖擊性能檢測

在齒輪的軸部制成拉伸、沖擊試樣進(jìn)行拉伸、沖擊試驗。參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T3077，試驗數(shù)據(jù)為：拉抗拉強(qiáng)度Rm=1165MPa（≥1080MPa），下屈服強(qiáng)度ReL=900MPa（≥850MPa），斷面伸長率A=13%（≥10%），斷面收縮率ψ=60%（≥45%），沖擊功Akuz=75J（≥55J），測試結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 ?起動電機(jī)驅(qū)動齒輪受力分析

3.1 起動電機(jī)驅(qū)動齒輪起動發(fā)動機(jī)原理

內(nèi)燃機(jī)起動電機(jī)就是把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，通過電器與機(jī)械結(jié)構(gòu)將轉(zhuǎn)矩傳遞給發(fā)動機(jī)使其連續(xù)轉(zhuǎn)動，即起動電機(jī)驅(qū)動齒輪帶動嚙合的飛輪齒圈，飛輪齒圈帶動飛輪，飛輪傳遞給發(fā)動機(jī)曲軸，曲軸帶動活塞上下往復(fù)運(yùn)動，使發(fā)動機(jī)起動。正常情況下是起動電機(jī)的驅(qū)動齒輪一邊旋轉(zhuǎn)一邊伸出，在起動初期，驅(qū)動齒輪在控制線圈作用下，低速緩慢旋轉(zhuǎn)伸出，此時齒輪旋轉(zhuǎn)力矩較小，在旋轉(zhuǎn)過程中找到與齒圈配合的位置，并深入到足夠的深度，使齒嚙合面有足夠的接觸面積，然后在起動線圈的作用下，加大旋轉(zhuǎn)力矩并帶動齒圈轉(zhuǎn)動，發(fā)動機(jī)起動成功后，起動電機(jī)停止工作，電磁閥門關(guān)閉，驅(qū)動齒輪自動縮回，完成整個發(fā)動機(jī)起動過程。

3.2 驅(qū)動齒輪與飛輪齒圈嚙合傳動原理

齒輪嚙合傳動時，為了在嚙合齒廓之間形成潤滑油膜，避免因齒輪摩擦發(fā)熱膨脹而卡死，齒廓之間必須留有間隙，即側(cè)隙。側(cè)隙的存在會產(chǎn)生齒間沖擊，影響齒輪傳動的平穩(wěn)性[2]。合理的嚙合間隙使齒輪間傳動是相對穩(wěn)定的，能夠滿足齒輪正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但是齒輪一旦發(fā)生松動，平衡狀態(tài)被破壞，極大影響了傳動的穩(wěn)定性，高速運(yùn)轉(zhuǎn)下，齒輪會受到嚴(yán)重沖擊。

3.3 齒輪受力分析

齒輪在嚙合傳動過程中，齒輪力學(xué)模型為懸臂梁[3]，產(chǎn)生最大彎矩作用點為齒輪嚙合點B，嚙合彎矩作用下，齒根部位所受的彎曲應(yīng)力最大[3]，齒根部位為危險截面[3]，見圖7。正常運(yùn)轉(zhuǎn)下，齒根部受到的彎曲應(yīng)力小于許用應(yīng)力。如果受到嚴(yán)重沖擊，齒根受到的彎曲應(yīng)力則遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于許用應(yīng)力。

4 ?斷裂原因分析與探討

①斷口形貌分析可知齒輪斷口裂紋源處起源點為沿晶形貌，未見疲勞紋，無疲勞特征，表明齒輪斷裂為過載斷裂。

②故障齒輪化學(xué)成分分析、金相檢測分析、力學(xué)性能檢測三項理化檢測結(jié)果均未發(fā)現(xiàn)異常，可以排除齒輪原材料、熱處理質(zhì)量不合格造成的齒輪斷裂。

③經(jīng)查生產(chǎn)廠家對該批驅(qū)動齒輪進(jìn)行尺寸檢測，尺寸符合圖紙要求，因此可以排除驅(qū)動齒輪的尺寸不合格造成的齒輪斷裂。

④驅(qū)動齒輪與飛輪齒圈嚙合傳動過程中在嚙合點處受到齒圈的反作用力，正常情況下此作用力對危險截面齒根處產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力小于許用應(yīng)力。但是驅(qū)動齒輪松動后則對齒輪會產(chǎn)生嚴(yán)重沖擊，使齒根處受到的彎曲應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于許用應(yīng)力，在齒根處產(chǎn)生裂紋源，并不斷擴(kuò)展，在反復(fù)過大沖擊載荷的作用下，會造成齒輪過載斷裂。

5 ?結(jié)論

從以上分析探討得出驅(qū)動齒輪斷裂是由于起動電機(jī)齒輪緊固螺母未鎖緊，造成驅(qū)動齒輪松動，使其與飛輪齒圈之間嚙合傳動不穩(wěn)，電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)下，對驅(qū)動齒輪產(chǎn)生的沖擊載荷過大，在驅(qū)動齒輪承受彎曲應(yīng)力最大的危險截面齒根處產(chǎn)生了裂紋源，以至于在齒輪各個齒根部產(chǎn)生不同長短的裂紋，多次嚴(yán)重沖擊后最終導(dǎo)致齒輪從齒根處過載斷裂。

6 ?故障復(fù)現(xiàn)

為了驗證此結(jié)論，將起動電機(jī)驅(qū)動齒輪緊固螺母擰緊未鎖緊，模擬發(fā)動機(jī)起動過程，通過試驗，經(jīng)過多次反復(fù)起動后，驅(qū)動齒輪齒根部位出現(xiàn)不同長短的裂紋，裂紋形貌位置與故障齒輪完全一致，說明結(jié)論可靠。

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