直齿锥齿轮断齿故障分析

刘彦雪*，周佳，李伟超

中国航发常州兰翔机械有限责任公司，常州 213022

摘      要：某型发动机分解检查中发现上传主动直齿锥齿轮发生断齿故障，经失效分析确定该轮齿断裂性质为弯曲疲劳断裂。通过原因排查与分析，结合有限元仿真计算，确认断齿主要原因是齿厚超差导致齿轮啮合位置偏离设计要求；齿根圆角存在接刀尖边；齿轮加工精度不达标，轮齿齿根加工质量较差；共同作用导致齿根弯曲应力增大，齿轮抗弯曲疲劳能力下降，不再满足弯曲疲劳寿命的设计要求。

关  键  词：锥齿轮；断齿；弯曲疲劳；有限元仿真

中图分类号：V323.8

文献标识码：A

1  引言

某型发动机在工作近400小时后，分解检查中发上传主动直齿锥齿轮发生断齿故障，如图1所示。经失效分析检查，齿轮及断裂轮齿的断口均呈现明显的疲劳特性，如图2所示。断裂轮齿的断口分两个区域：小头端及工作面一侧断口平坦，可见明显的扩展棱线，面积占整个断口的80%以上；大头端及起动面一侧断口起伏较大，两个区域可见弧形界面。平坦断面为疲劳区，起伏较大的断面为瞬断区。此外，从疲劳区棱线收敛位置，可大致判断疲劳起始于轮齿工作面距小头端约1~3mm的齿根表面。扫描电镜观察，疲劳源约为2mm长的线源，源区未见冶金缺陷；选取断裂轮齿和相邻的完好轮齿进行渗碳层金相、硬度以及深度检测，完好轮齿和断裂轮齿渗碳层组织评级为1~3级，为合格组织。

   

图1  主动直齿锥齿轮断齿                              图2  断口形貌

经失效分析确认：该故障齿轮的轮齿断裂性质为弯曲疲劳断裂，疲劳源为线源，疲劳起始于轮齿工作面距小端约1~3mm的齿根表面；未发现零件存在材质、渗碳、热处理方面的问题；齿轮齿根圆角存在过渡不良的加工缺陷；轮齿接触痕迹偏小端及齿顶。

2  故障原因复查

结合已有的失效分析结果，从设计，加工工艺，齿轮加工质量、安装质量、啮合质量，外部载荷等多方面对锥齿轮断齿故障的原因进行排查及分析，发现存在以下与故障相关的问题。

1）齿轮大端弦齿厚要求为3.04mm～3.10mm，故障齿轮的大端弦齿厚为3.30mm，齿厚超差较多；且其工作面齿根圆角过渡不良，存在磨削产生的接刀尖边，见图3。

2）对故障齿轮表面形貌进行显微观察，其齿根附近可见明显均匀的加工痕迹，发现齿面波峰波谷偏差值可达到10μm，齿面粗糙度可能达不到设计要求，加工精度可能未达到7级精度，见图4。

3）故障齿轮实际啮合痕迹偏小端及齿顶；检查装配记录发现首次装配齿轮印痕不理想，其工作面着色痕迹偏长而起动面偏短；工厂试车结束后齿轮啮合痕迹较着色时变长，提交处理后使用。

 

图3 齿根圆角存在过度不良                  图4 齿根圆角存在过度不良

3  故障机理分析

1）圆角尖边对齿根弯曲应力的影响分析

根据当量齿轮分析理论，建立锥齿轮当量齿轮的二维简化模型，利用有限元分析方法，完成接刀尖边对齿根弯曲应力状况的影响分析，主要使用的分析工具为ANSYS，设置单元类型为plane182平面单元，采用30度切线法进行加载，主要分析结果图5所示。

图5  接刀尖边对齿根弯曲应力影响

由计算分析可知：齿根加工出现接刀尖边会导致应力集中现象，齿根最大弯曲应力普遍提高30%~40%，削弱了齿根弯曲强度，势必会响轮齿寿命；加工接刀尖边高度越大，致使截面突变程度增大，会导致齿轮齿根的最大弯曲应力进一步的增大。

2）齿轮偏载对齿根弯曲应力的影响分析

故障齿轮的齿厚超差0.2mm，其配对齿轮的齿厚合格，装配记录显示齿轮啮合间隙合格。由此可知：齿轮在装配时的实际安装距较理论安装距偏大，即齿轮实际装配位置较理论位置产生轴向外移，造成装配误差。根据齿轮啮合理论，完成直齿锥齿轮齿面构建，利用三维有限元分析方法，完成装配误差对齿根弯曲应力状况的影响分析，主要使用的分析工具为ANSYS，建模工具为UN NX，建模精度为0.001mm，采用mm量纲进行建模分析。齿轮采用3齿轮模型，通过接触对完成齿面载荷施加，基体单元为SOLID 185，分析主要结果见图6。

图6 齿轮偏载对齿根弯曲应力影响

由计算分析可知：小齿轮轴向外移0.2mm，会导致接触区偏向小齿轮根部，出现偏载现象，同时最大弯曲应力会增大50%左右；大齿轮轴向外移0.2mm，会导致接触区偏小齿轮齿顶，同样出现偏载现象，最大弯曲应力会增大60%左右；齿轮偏载导致齿根弯曲应力增大较多。

3）齿轮加工缺陷对齿根弯曲应力影响的综合分析

根据齿轮参数，为进行上传主动直齿锥齿轮齿根弯曲应力的有限元分析，建立无加工缺陷的齿轮在理论啮合状态下的简化三维实体模型，并对其分块进行单元网格的划分，见图7。对上传主动锥齿轮起动面0.4mm齿根圆角中部位置处插入0.1mm高度的加工缺陷；模拟装配时，两齿轮各在理论啮合基础上沿轴向外移0.1mm，插入加工缺陷的分析模型见图

8。

    

图7  无加工缺陷模型                        图8  插入加工缺陷的模型

将啮合齿对附近的单元尺寸加密，定义两齿轮为单齿面啮合接触，接触类型设置为不分离形式（No Separation），施加工作扭矩，对无加工缺陷标准装配模型及有加工缺陷的偏载模型分别进行计算，计算结果见图9。由计算结果可知，插入加工缺陷后，齿根弯曲应力增大约57.21%，且齿根最大弯曲应力的分布位置发生变化。

图9  加工缺陷对齿根弯曲应力的综合影响

4  分析结论

根据上述分析，可得此次主动直齿锥齿轮断齿故障的分析结论如下：

1)齿厚超差引起齿轮的装配误差，导致齿轮啮合位置偏离设计要求，出现啮合偏载（啮合位置偏向小端及齿顶），齿根弯曲应力增大；

2)齿根圆角存在接刀尖边导致齿根应力分布改变，出现应力集中齿根弯曲应力进一步提高；

3)此次主动直齿锥齿轮断齿性质为弯曲疲劳断裂，故障主要原因是齿轮齿厚超差导致齿轮啮合位置偏离设计要求，同时齿根圆角存在接刀尖边，两者共同作用导致齿根弯曲应力增大，齿轮抗弯曲疲劳能力下降，不再满足弯曲疲劳寿命的设计要求。此外，齿轮加工精度不达标，轮齿齿根加工质量较差进一步促进了齿轮断齿故障的产生。

参考文献（References）

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