鄭州華威齒輪有限公司 （河南 452370）高永強

齒輪副信息如下：

（1）問題描述：車輛行駛時后橋異響，經檢查發(fā)現(xiàn)主減速器主從動錐齒輪打齒且被齒基背（見斷裂圖1～圖4）。

（2）車型：越野車型。

（3）發(fā)生故障時行駛里程：30000km。

（4）失效模式：主被動齒輪斷裂；被齒基背斷裂。

一、斷口宏觀分析

圖1 后橋包

圖2 小塊

圖3 半螺孔

圖4 大端頭掉塊

該齒由于齒形復雜、參數(shù)眾多、工況多樣（前進一正轉，倒車一反轉，加、減速），使其受力復雜多變（力的方向大小均變），使分析起來難度大大增加。

裂紋分析：斷裂分兩部分，即斷齒和基背斷裂。

1.斷齒

從小塊說起（見圖2小塊和圖4大端頭掉塊）。從螺孔分半處起記S-1逆時針排列見圖5。S1～5為主，另半孔在相鄰大塊上一齒為L-28。S-11與L-1為同一齒分斷在兩塊上（見斷裂圖6掉塊）。

L-28的斷裂起源小端凹面齒根圓角處，在反轉時生成。與S-1、S-2為一組，L-28屬牽連性破壞。S-1、S-2的破壞從大端起。正轉時（前進），齒輪的凸面為工作面，第一步先產生大端頭約5mm長的掉角（塊），斷口粗糙，裂紋源位于齒根大端的凸面圓角處，該外是彎曲應力最大的部位。由于較大的沖擊造成掉塊（角），其裂紋發(fā)展方向符合彎曲應力斷齒的一般規(guī)律。掉塊后又繼續(xù)運行之后才產生了S-1斷齒，而S-1起源于凸面齒根，且徑向力指向中心，軸向力從錐頂下壓均與目前撕裂脊一致。因S-1斷裂繼續(xù)正轉造成停車，當齒輪凹面嚙合（收油時），造成L-28斷裂，它也起源于凹面齒根圓角彎曲應力最大處。這里反轉的破壞順序依次為：S-5、S-4和S-3。而L-28處斷齒可能在最后或最先。

當發(fā)生故障后由于慣性，車繼續(xù)前行（此時被齒為主動），即被齒凹面工作。軸向力從錐頂指向底面，徑向力從圓心指向大端外圓。S-3斷齒起源大端側內弧面（凹）齒根圓角附近，幾乎為全齒寬。其金屬撕裂脊的方向與S-1斷口不同，S-4、S-3僅是“掉角”，而S-5僅大端凹面齒頂受到撞擊尚未斷開。因斷裂時速度快，沖擊大及齒頂滲碳層深，所以其撕裂脊很淺。這時的工作切向力、徑向力、軸向力作用點在S-4，S-5位置對S-1處斷口形成彎曲，使基背從1號螺孔處斷裂。并向上翹起，同時徑向力剪斷2號、3號螺栓，造成齒背S-11處斷口。S-4、S-3這種大塊“掉角”式斷裂與沖擊有關，是支撐不穩(wěn)、嚙合失常的表現(xiàn)。

S-1齒根中心的撕裂脊（嶺）發(fā)展完整，是心部塑性好的表現(xiàn)。兩側可見滲層（經檢測滲碳層為1.05mm），達到技術要求0.9～1.3mm。而S-3、S-4斷齒偏齒頂，這里尺寸薄，已是低碳馬氏體，且速度快撕裂脊較淺，其方向與S-1的斷口明顯不同。

2.基背斷裂

最終斷裂在基背。小塊有兩斷口，S-1處的斷口是主要的，S-11斷口是牽連性的。這時應是倒車過程，螺栓1早已松脫，凹面工作。軸向力向從錐頂指向底面，徑向力由圓心指向大端，彎曲應力也使齒根受彎曲產生的拉應力。隨著主動輪轉動，該力的方向在不斷變化，工作點越接近螺孔徑向面，該齒圈上翹越高，導致一次性脆斷。最終外側下方開裂。由于螺孔影響撕裂脊稍有彎曲，而S-11側的斷面隨著2號及3號螺栓斷裂而脆斷，裂紋源位于圖的主源處。小塊隨之甩出，小塊S-1附近斷口在匹配的大塊斷口上留下了向上向外的痕跡，分別是切向力和徑向力作用的結果。整個斷過程向外偏移達約8°之多。

基背的斷口粗糙，半螺孔處的斷口是主要的，而S-11附近斷裂是牽連性的。裂紋均起源于內圓齒根拐角處，表明存在過負荷沖擊應力，斷口接近脆斷。環(huán)向位于螺孔處，其抗彎曲、抗剪切的截面較小，是應力最大的位置。沖擊應力是由于螺栓松脫，支撐不穩(wěn)造成的。

二、金相及硬度

由于該被動齒輪軸材料為20CrMnTiH，經滲碳淬火+回火，回火后該平面表面硬度要求為58～64HRC；滲碳層要求為0.9～1.3mm，經檢測該斷裂的螺紋表面硬度為62.1HRC、61.5HRC、63.8HRC。其表面金相組織為針狀馬氏體（M）+殘留奧氏體組織，該組織屬滲碳淬火組織。該齒輪心部硬度為35.5HRC、35.0HRC、26.1HRC，心部硬度在技術要求32～45HRC之內。心部組織為低碳馬氏體組織，采用金相法測得滲碳層為1.05mm，在技術要求0.9～1.3mm之內。

三、受力分析

1.擦痕

大端齒頂有一約8mm寬的環(huán)向擦痕帶，從痕跡辨別應是向前進時造成的。說明倒車時已經形成，在S-1斷裂前后齒輪嚙合已不正常，產生嚴重干涉。這當然與支撐狀態(tài)不好關系密切，也正是支撐失穩(wěn)的反映。S-11、L-1及L-2、L28齒頂均有雙向擠擦的痕跡，正是正、反向運轉的證明。且L-2凹面有剝落的痕跡尺寸約8mm×5mm×0.1mm。L-3齒頂凹面距大端約7mm處有一條約3mm×3mm撞擊痕跡，均證明凹面接觸（倒車）時經歷過破壞過程。因其他齒的凸、凹面上均未見點蝕痕跡，排除接觸應力造成破壞的可能。斷裂見圖6～圖9。

2.接觸痕跡

圖5

總體說齒面接觸正常，且凹面接觸更顯均勻，這與徑向力向外，軸向力向底面的擠壓有關。大端也顯示受力的痕跡。凸面大端留有加工刀痕，類似正態(tài)分布。根據嚙合原理，這顯示出該齒輪并未過多出現(xiàn)大負荷運行。齒頂淺些表明曾出現(xiàn)過高負荷運行。

3.小齒輪破壞

由于主動輪僅掉一齒，說明：主齒斷裂不是破壞主要原因；速度不高；高速下因小齒輪負荷重，轉速高，均選用較好的材料及工藝制造。高速下其失效往往是連續(xù)打齒，隱現(xiàn)出事故時可能是在倒車。小齒輪的破壞更不會引起大齒圈斷裂。另外，小齒輪一旦先失效。由于傳動比i=4.22，此時應在大齒圈四處區(qū)域有損壞反應，大輪齒頂外環(huán)干涉擦痕全部都有，也排除了這種可能。

4.斷齒位置

從齒圈安裝整體看，即從半軸一側看斷齒，斷齒區(qū)在最易偏斜的一側，如以12～6點時鐘位置為軸分析，斷口位于4點處，而3點處是最佳破壞作用點，正是S4-S5位置。而對3～9點的軸則抗偏擺的剛度大大增加。

所以該齒圈破壞與螺栓松脫有關，螺栓松脫由連接件螺孔偏心或垂直不好造成。螺釘安裝后在運行中振動及變負荷的作用下會損壞止退墊片引起松脫。從而引起支撐不穩(wěn)，帶來沖擊及過負荷，造成斷齒及齒圈斷裂。

5.支撐架孔內螺紋

S塊底座上有3個螺孔（見圖3半螺孔），從背后看，S1處半螺孔編為1號，尚有順時針2號、3號。共計12個螺栓把齒圈固定到支座上。每兩個為一組，1號與2號一組，用一個止退墊片鎖死。支座（斷裂圖片圖7差速殼）上1號通孔及3號通孔內均有約180°內螺紋，長度在約10螺距以上。顯示聯(lián)接件支座通孔或直徑偏小或偏心或與錐齒輪螺孔不同心，或螺孔中心與底座平面垂直度不好等。

（1）連接時用等徑螺栓，即φy（桿）=Mx。按機械原理這種狀態(tài)，預緊力加不上。錐齒輪底面根本靠不緊底座的支撐面，極易引起螺栓松脫。各螺栓的預緊力相差很大，各段支撐不平，齒圈會產生彎曲動應力而翹曲。由于止退墊片圓周上受力不勻，極易損壞失去止退性能。螺栓因振動或承受倒車時的拆卸扭矩等而松脫（一般前進時緊固扭矩上升）。

（2）采用柔性桿螺栓：即φy＜Mx（底徑），即使如此，由于偏心、垂直度不好等也會造成墊片受壓在圓周上不勻，止退性能下降而失效，從而造成螺栓松脫，或斷裂，引起齒圈斷裂。

另外，螺栓應松脫了很長時間，未找到螺栓殘骸，可能長時間在后橋包內碰撞已面目皆非，只?！皻堅保ㄒ妶D1）。在大塊保留的半螺孔上，其牙形破壞。螺孔的內側（小徑）螺紋斷面碰傷擠壓嚴重，并有兩牙向上彎曲。而外側（大徑）側有幾牙變形，也說明其螺栓先脫而齒圈基背后斷，且小塊的斷口是斷裂瞬時向上（錐頂）向外側運動的。

（3）螺栓松脫還與安裝有關。工人習慣從時鐘0～12點安裝（或逆時針），這樣簡單省事，但往往造成誤差向一側積累而形成支撐最薄弱環(huán)節(jié)。似重要安裝，以12、6、3、9……順序為好，可以保證螺栓預緊力均勻，齒圈底面接觸均勻，支撐穩(wěn)定。

四、結語

（1）本齒輪斷裂分兩部分：斷齒和齒背斷裂。均屬異常破壞。正常破壞是長期運行后造成彎曲應力疲勞破壞或接觸應力造成的點蝕剝落破壞。

圖6 大塊

圖7 差速殼

圖8 基背斷口

圖9 半螺孔處斷口

本案例中，第一，斷齒：由彎曲應力過大或沖擊造成斷齒。正反向運轉分別起源點為凸面及凹面的齒根圓角處，這里應力集中較大。由于支撐不平衡，隨著使用周期的加長而越發(fā)嚴重，加劇了齒的嚙合時沖擊及負荷，從而導致斷齒。經過掉角至全齒斷裂。由于正、反運轉，才有齒的雙向斷裂。其破壞的周期較短，大范圍仍在“低周”（疲勞）破壞內。

第二，齒背斷裂：齒背的斷裂是一次性脆斷，發(fā)生在兩齒根間圓角的應力集中最大位置。但其裂紋是向下、向外圓約45°方向發(fā)展。而S-1螺孔處的抗彎，抗剪切的截面是最小的。由于作用在S-3、S-4等齒的切向力、軸向力、徑向力等的雙向彎曲造成。同時向外剪斷（當然還有拉應力）第2、3號螺栓，及S-11附近的最終斷裂。小塊齒圈甩出。

（2）齒輪破壞與1號螺栓松脫有關，這由S-1處斷口擠擦痕跡證明。螺栓的松脫才能在此截面造成“弱化”。否則把1號螺栓（在孔內時），當全鍵一樣的縱向剪斷幾乎是不可能的。

（3）螺栓松脫造成支撐不穩(wěn)定，是過應力及沖擊的來源。螺栓松脫非一日之功，是長期運行的結果——外因。而內因是對中性、垂直度不好等及支座（差還殼）孔上的螺紋共同造成的。

（4）齒圈上雙向擠擦痕證明破壞過程中有雙向轉動。

（5）該裂紋源均屬結構尺寸改變造成，齒的裂紋源為線源，更與結構因素關系密切。