雙曲線螺傘齒輪失效分析

李衛民，柳亞輸，秦步祥，李永波，魏仕華，于榮波（泰州職業技術學院，江蘇 泰州 225300）

0 引言

針對汽車用20CrNiMo雙曲線螺傘齒輪出現磨損、磨平等早期失效的情況，首先，把齒輪清洗干凈后進行齒輪標記的確認，然后根據產品技術要求，針對汽車用20CrNiMo雙曲線螺傘齒輪原材料（合金元素含量）、熱處理質量（滲碳層/硬化層深度、金相組織）等方面著手分析，找出引起早期失效的原因[1]。

1 齒輪表面標識的確認

選擇700 km和7000～9000 km兩種典型失效件，齒輪標記內容及描述意義如表1所示。

表1 失效件標記

2 主/從動齒輪技術要求

主動齒輪：600 HV滲層深度=0.6～1.0 mm；表面硬度≥60 HRC；心部硬度為35～46 HRC；金相組織按QC/T262-1999標準1～5級合格；材料要求SAE8620H（20CrNiMo）[3]。

從動齒輪：600 HV滲層深度=0.6～1.0 mm；表面硬度≥60 HRC；心部硬度為35～46 HRC；金相組織按QC/T262-1999 標 準1 ～5 級 合 格；材 料 要 求SAE8620H（20CrNiMo）[3]。

根據以往SAE8620H實測數據HV600≌滲碳層深度-0.15 mm。

3 齒輪所用材料光譜分析

淬透性結構鋼》（GB/T5216 -2004） 中SAE8620H 材料成分要求[3]。

4 熱處理質量的檢測

兩套齒輪的熱處理質量檢測情況如表3所示。

表3 齒輪熱處理結果

5 分析

從齒輪的標記及以上檢測結果看：這兩套齒輪不是同一批生產的；700 km磨損件是8月份生產、入庫的；7000～9000 km磨損件是9月份生產，10月份入庫的。材料符合規定要求；其熱處理質量指標能滿足圖樣要求（去除熱影響因素），失效模式相近：

1）齒面硬度下降，嚙合區部位的硬度最低，離失效主源區越遠，硬度值越高。

2）輪齒高至齒根部都存在目測可見的白色區，接近于退火態，該部位的組織為珠光體+鐵素體（如圖2、圖5、圖7、圖10），該部位硬度值很低，只有88、89 HRB（約10.0～10.5 HRC，根據GB 1172-74《黑色金屬硬度及強度換算值》換算所得），而正常滲碳、淬火齒輪表面硬度要求≥58 HRC,心部硬度一般也都要求33～48 HRC[4]。

圖1 輪齒大端面滲碳層深度（80×）

圖2 輪齒心部組織為珠光體+鐵素體（P+F）（400×）

圖5 輪齒心部組織為塑性變形珠光體+鐵素體（400×）

圖7 輪齒心部組織為珠光體+鐵素體（400×）

圖10 輪齒心部組織為珠光體+鐵素體（400×）

3）各部位的組織也呈現同一趨勢：在輪齒部為高溫回火組織（或退火組織），到花鍵部為低溫回火組織。

4）從外觀看，失效區域齒輪表面顏色呈高溫黑色泛藍狀（特別是磨削面）。

5）齒輪的失效原因相似：齒輪副在嚙合運行過程中，輪齒的接觸部分發生大的滾動和滑動，產生摩擦熱，使油膜破裂，易產生高溫，而當齒輪的接觸壓力過大時，則更易產生高溫甚至發生膠合。因高溫影響，使主源區組織發生相應的變化，致使齒輪表面的硬度由外逐步向主源區降低，性能不足以支持齒輪轉動而失效；同時熱能的傳導使得齒輪不同部位的硬度值、硬度降、硬化層產生差異，最終導致輪齒磨損、磨平，無法帶動后橋轉動而失效[1]。

表2 20CrNiMo化學成分質量分數 %

6 驗證分析

為驗證齒輪的失效是因高溫的影響，我們對從動齒輪與被動齒輪軸配合的軸承內的滾珠硬度進行了檢測，滾珠硬度檢測情況如表4所示。滾珠軸承滾珠的硬度也因熱影響而降低了許多，這也證實了前述的分析。

表4 滾珠硬度檢測結果HRC

圖3 花鍵處組織（400×）

圖4 輪齒背錐面滲碳層深度（80×）

圖6 輪齒大端面滲碳層深度（80×）

圖8 花鍵處組織（400×）

圖9 輪齒背錐面滲碳層深度（80×）

7 結論

1）軸線偏置的齒輪，沿齒長和齒高方向都存在相對滑動，主/從動齒輪偏置距為20.03 mm。這種齒輪對于齒輪潤滑要求比較高，對于安裝誤差比較敏感。而其它普通齒輪，包括斜齒輪，對潤滑要求沒有這么高。故這類雙曲線螺傘齒輪，一旦油位過低、失油、缺油、選用潤滑油質量不理想，或者安裝存在某些誤差，在很短的時間內，都能造成輪齒表面早期磨損。

2）雙曲線齒輪的接觸區以距齒頂1 mm，接觸區高度＞50%的齒全深，位置在中間略偏小端為最佳。把700 km失效的從動齒的齒冠距、外形和成品齒輪進行比較，發現接觸區發生了一定的偏移。如果輪齒接觸區，距齒頂＜1 mm，接觸區的高度＜50%的齒全高，接觸區的部位不理想，也能導致齒頂早期磨損失效。

3）輪齒在嚙合運行過程中，如在嚴重超載、惡劣的路況環境等情況下，將會受到較大的接觸壓力和較大的沖擊，巨大的動能轉化為熱能，使輪齒表面產生高溫，從而導致輪齒早期磨損。