关键词:大螺旋齿轮;断齿;圆角曲率半径;硬度;啮合斑点;应力集中;疲倦断裂
中图分类号:TH１３ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０６Ｇ０４５３Ｇ０４
在某装载机驱动桥大螺旋齿轮开拓过程中的装 机试验时创造,齿轮在事情２００~１３００h时涌现断 齿 失落 效 的 情 况. 该 大 螺 旋 齿 轮 的 内 圆 直 径 为 ２１０mm,外圆直径为３８０mm.失落效大螺旋齿轮的 宏不雅观描述如图 １ 所示,齿轮材料为 ２０CrMnTi钢. 齿轮的技能哀求参照JB/T６０４１－２０１３«轮式工程 机器驱动桥 主减速器齿轮副 技能条件»:零件经淬 火后表 面 硬 度 为 ５８~６４ HRC,心 部 硬 度 为 ３３~ ４５HRC.齿轮热处理按JB/T５９４４－１９９１«工程机 械 热处理件通用技能条件»规定进行.为查明该大 螺旋齿轮断齿失落效缘故原由,笔者对其进行了考验和分 析,并给出了改进方法.
１ 理化考验
１．１ 宏不雅观考验
对失落效的大螺旋齿轮轮齿断口描述进行统计, 如图２所示,可以看到失落效轮齿都是从齿根处产生 折断,且在齿轮大端均有残留的一段未折断,断口均 为凹型.对失落效大螺旋齿轮进行磁粉探伤,结果如 图３所示,可以看到在有些未崩断的轮齿凸面根部 存在平行于齿根的裂纹,并且裂纹的形态与图２中 折断轮齿断面中的断裂线相同,均是在小端处略高, 而在大端处偏低,这也再次表明裂纹起源于齿根处. 为了得到更加确切的裂纹起裂位置,在垂直于裂纹 长度的方向将失落效大螺旋齿轮剖开,经研磨、抛光后 不雅观察可以看到,裂纹起源于齿根圆角与齿面的过渡 位置处,如图４所示.
１．２ 断口剖析
从断齿上切取试样,利用扫描电镜进行断口微 不雅观描述不雅观察,结果如图５所示.可以看到在断口上 存在很多疲倦弧线.疲倦弧线是疲倦断口最基本的 特色[１],因此可以剖断大螺旋齿轮的失落效模式为弯 曲疲倦断裂.由扫描电镜不雅观察结果还可以看到:在 靠近齿根的一侧,疲倦弧线的方向基本垂直于齿宽 方向;而在轮齿的中间位置,疲倦弧线的方向基本平 行于齿宽方向.一样平常认为,疲倦弧线的法线方向即 为该点疲倦裂纹的扩展方向[１].因此可以判断疲倦 裂纹在齿根处是沿齿宽方向扩展的,在轮齿内部则 是沿齿厚方向扩展的.
１．３ 化学身分剖析
随机选取３个失落效大螺旋齿轮对其取样进行化 学身分剖析,结果如表１所示.可见各个失落效齿轮 的化学身分均符合 GB/T３０７７－１９９９«合金构造钢» 对２０CrMnTi钢身分的技能哀求.
１．４ 硬度及金相考验
对上述随机选取的３个失落效大螺旋齿轮的表面 硬度和心部硬度进行测试,结果如表２所示.可以 看到失落效大螺旋齿轮的表面硬度符合JB/T６０４１－ ２０１３技能哀求,而心部硬度则偏低或刚刚知足标准 哀求的下限.分别对失落效齿轮显微组织中的碳化物级别、马氏体＋残余奥氏体级别以及心部铁素体级 别进行评级,结果如表２所示.可以看到显微组织 中的碳化物级别、马氏体＋残余奥氏体级别以及心 部铁素体级别均符合 GB/T８５３９－２０００«齿轮材料 及热处理质量考验的一样平常规定»技能哀求.
２ 齿轮受力剖析
根据齿轮的事情特点,在其通报功率和运动过 程中,齿轮在力的浸染下会在齿根处产生波折应力, 在齿面处产生打仗应力,在齿轮相互运动时产生摩 擦力.波折应力会造成轮齿的变形和折断,打仗应 力会造成轮齿表面疲倦剥落,摩擦力会导致轮齿的 磨损.根据大螺旋齿轮失落效的形式和位置可以判断 其是在波折应力浸染下导致的疲倦失落效.齿轮运行 时受到交变的波折应力浸染,当波折应力大于齿轮 的波折疲倦极限时就会导致疲倦裂纹在齿根附近萌 生并扩展,终极导致齿轮断齿失落效.
在打算齿轮波折应力时,由于齿轮的刚度较大, 一样平常将轮齿看作是宽度为齿宽b 的悬臂梁[２],其运 行过程中的受力情形如图６所示.轮齿在运行过程 中受交变的波折应力浸染,在齿根附近形成疲倦裂 纹,随着运动过程的持续进行,疲倦裂纹会逐渐扩 展,并导致轮齿断裂失落效.由此轮齿运行过程中产生的应力可表示为[３Ｇ４]
式中:σF 为齿根波折应力;Fn 为事情圆周力;b 为齿 宽;m 为模数;K 为载荷系数;T１ 为额定转矩;d１ 为小齿轮直径;YS 为齿根应力集中系数;L０ 为齿形 参数;qs 为齿根圆角参数;s为齿厚;l为齿高;ρF 为 齿根圆角曲率半径.
通过式(１)~(４)可以看到,在齿轮其他参数不 变的情形下,齿根波折应力σF 紧张决定于齿根圆角 曲率半径ρF.
３ 综合剖析
从以上齿轮受力剖析可以得出,在齿轮其他参 数不变的情形下,齿根圆角曲率半径是影响齿根弯 曲应力的紧张成分,即轮齿的波折疲倦强度紧张决 定于齿根圆角曲率半径.从理化考验的结果可以看 到,齿轮心部硬度偏低,低的心部硬度会降落轮齿的 疲倦波折强度.研究创造,在齿轮事情过程中,如果 啮合斑点较小,会导致偏载的情形涌现,这也会降落 轮齿的波折疲倦强度[５Ｇ８].
利用投影仪将齿轮根部圆角放大,测得大螺旋 齿轮大端和小真个齿根圆角曲率半径均在２．２mm 旁边.研究认为,如果齿轮齿根圆角曲率半径太小, 在齿轮受力时会在齿根处产生应力集中,进而导致 疲倦裂纹的萌生[９Ｇ１０].研究创造,当齿根圆角曲率 半径由０．７５mm 增大到１．５mm 时,齿轮的波折疲 劳寿命约相称于原来的３倍[８].根据裂纹的起始位 置可以判断导致该大螺旋齿轮轮齿疲倦寿命较低的 紧张缘故原由为齿根圆角曲率半径太小.过小的齿根圆角曲率半径增大了大螺旋齿轮在事情过程中齿根处 的应力集中,导致其波折疲倦寿命明显降落.
齿轮心部的显微组织和硬度也会明显地影响齿 轮的疲倦性能[１１].随着心部硬度的增加,其对齿轮 硬化层的支撑浸染也会增加,从而提高齿轮的疲倦 强度.也便是说,在技能标准哀求的范围内,心部硬 度的增加会提高齿轮的疲倦寿命.而较低的心部硬 度则会削弱其对齿轮表面硬化层的支撑浸染,降落 齿轮的疲倦寿命[２].由表２的硬度试验结果可以看 到,齿轮心部的硬度偏低,因此须要采取掌握淬透性 的材料或改变热处理工艺以提高齿轮的心部硬度.
对大螺旋齿轮事情过程中的啮合斑点尺寸进 行测 定,结 果 如 图 ７ 所 示.根 据 GB/T１３９２４－ ２００８«渐 开 线 圆 柱 齿 轮 精 度 检 验 细 则»和 GB/Z １８６２０．４－２００８«圆 柱 齿 轮 检 验 实 施 规 范 第 ４ 部 分:表面结 构 和 轮 齿 接 触 斑 点 的 检 验»的 规 定,不 同精度等级的齿轮哀求的啮合斑点是不同的.失落 效大螺旋齿轮的精度等级为７~８级,根据上述国 标的哀求,啮合斑点应在齿面的中部,长度不小于 全齿宽 的 ７０％,高 度 不 小 于 全 齿 高 的 ６０％. 而 图７中大螺旋齿轮实际的啮合斑点尺寸在齿宽方 向明显小于标准技能哀求.
由上述剖析可以得出大螺旋齿轮的断裂过程如 下:大螺旋齿轮在事情过程中的波折应力浸染下,由 于齿轮的齿根圆角曲率半径和啮合斑点尺寸较小, 造成了齿根处的应力集中,并且由于轮齿心部硬度 偏低,对表面硬化层的支撑浸染弱,终极导致裂纹在 轮齿凸面中部偏小端齿根附近萌生.随着波折应力 的持续浸染,萌生后的裂纹以裂纹源为中央向轮齿 的两端及轮齿心部扩展.裂纹在向小端扩展时,会 向齿顶方向翘起,导致其扩展过程的阻力逐渐减小, 使得裂纹迅速扩展到小端端部.裂纹在向大端扩展 时,扩展阻力相对较大,扩展速率小于小真个,这就导致向小端扩展的裂纹已经扩展至端部时,而向大 端扩展的裂纹还未扩展至端部,这也就使得齿轮折 断时剩余了大端瞬断区内来不及扩展的一段.
４ 改进方法
(１)改换齿顶圆角更大的齿轮加工刀具,以增 大齿根圆角曲率半径,降落齿根处的应力集中程度.
(２)对齿轮进行考验,担保大螺旋齿轮以及与 其合营的锥齿轮加工合格,并且啮合斑点尺寸符合 干系标准技能哀求.
(３)建议采取淬透性良好的２０CrMnTiH 钢制 造大螺旋齿轮,以得到稳定且合格的心部硬度,进而 提高齿轮心部对表层的支撑浸染.
(４)在齿轮生产过程中增加强力喷丸工艺以提 高齿轮的波折疲倦强度.
５ 运用效果
根据上述改进方法,以及文献[８]中的建议,将 大螺旋齿轮的齿根圆角曲率半径增大到３．５mm,并 将齿轮材料由原来的２０CrMnTi钢换为淬透性良好 的２０CrMnTiH 钢,适当调度齿轮轮齿齿形并增加 强力喷丸工艺.改进后,经由装机试验跟踪,大螺旋 齿轮的利用寿命已超过规定的寿命(２０００h),未再 发生早期断齿失落效情形.
６ 结论
(１)装载机驱动桥大螺旋齿轮涌现早期断齿失落 效的情形紧张是由于齿根圆角曲率半径和啮合斑点 尺寸较小以及齿轮心部硬度偏低,引起齿根处的应 力集中浸染加强,从而在装机试验过程中的波折应 力浸染下,于齿根处萌生疲倦裂纹并扩展,导致齿轮 断齿失落效.
(２)通过改换齿顶圆角更大的齿轮加工刀具、 改用淬透性良好的２０CrMnTiH 钢、适当调度齿形 并增加强力喷丸工艺可以减小齿根处的应力集中, 提高轮齿的波折疲倦强度.
(３)改进后的大螺旋齿轮的利用寿命已超过规 定的寿命(２０００h),未再发生早期断齿失落效情形.
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文章来源——材料与测试网
