双曲线螺伞齿轮失效分析

李卫民，柳亚输，秦步祥，李永波，魏仕华，于荣波（泰州职业技术学院，江苏 泰州 225300）

0 引言

针对汽车用20CrNiMo双曲线螺伞齿轮出现磨损、磨平等早期失效的情况，首先，把齿轮清洗干净后进行齿轮标记的确认，然后根据产品技术要求，针对汽车用20CrNiMo双曲线螺伞齿轮原材料（合金元素含量）、热处理质量（渗碳层/硬化层深度、金相组织）等方面着手分析，找出引起早期失效的原因[1]。

1 齿轮表面标识的确认

选择700 km和7000～9000 km两种典型失效件，齿轮标记内容及描述意义如表1所示。

表1 失效件标记

2 主/从动齿轮技术要求

主动齿轮：600 HV渗层深度=0.6～1.0 mm；表面硬度≥60 HRC；心部硬度为35～46 HRC；金相组织按QC/T262-1999标准1～5级合格；材料要求SAE8620H（20CrNiMo）[3]。

从动齿轮：600 HV渗层深度=0.6～1.0 mm；表面硬度≥60 HRC；心部硬度为35～46 HRC；金相组织按QC/T262-1999 标 准1 ～5 级 合 格；材 料 要 求SAE8620H（20CrNiMo）[3]。

根据以往SAE8620H实测数据HV600≌渗碳层深度-0.15 mm。

3 齿轮所用材料光谱分析

淬透性结构钢》（GB/T5216 -2004） 中SAE8620H 材料成分要求[3]。

4 热处理质量的检测

两套齿轮的热处理质量检测情况如表3所示。

表3 齿轮热处理结果

5 分析

从齿轮的标记及以上检测结果看：这两套齿轮不是同一批生产的；700 km磨损件是8月份生产、入库的；7000～9000 km磨损件是9月份生产，10月份入库的。材料符合规定要求；其热处理质量指标能满足图样要求（去除热影响因素），失效模式相近：

1）齿面硬度下降，啮合区部位的硬度最低，离失效主源区越远，硬度值越高。

2）轮齿高至齿根部都存在目测可见的白色区，接近于退火态，该部位的组织为珠光体+铁素体（如图2、图5、图7、图10），该部位硬度值很低，只有88、89 HRB（约10.0～10.5 HRC，根据GB 1172-74《黑色金属硬度及强度换算值》换算所得），而正常渗碳、淬火齿轮表面硬度要求≥58 HRC,心部硬度一般也都要求33～48 HRC[4]。

图1 轮齿大端面渗碳层深度（80×）

图2 轮齿心部组织为珠光体+铁素体（P+F）（400×）

图5 轮齿心部组织为塑性变形珠光体+铁素体（400×）

图7 轮齿心部组织为珠光体+铁素体（400×）

图10 轮齿心部组织为珠光体+铁素体（400×）

3）各部位的组织也呈现同一趋势：在轮齿部为高温回火组织（或退火组织），到花键部为低温回火组织。

4）从外观看，失效区域齿轮表面颜色呈高温黑色泛蓝状（特别是磨削面）。

5）齿轮的失效原因相似：齿轮副在啮合运行过程中，轮齿的接触部分发生大的滚动和滑动，产生摩擦热，使油膜破裂，易产生高温，而当齿轮的接触压力过大时，则更易产生高温甚至发生胶合。因高温影响，使主源区组织发生相应的变化，致使齿轮表面的硬度由外逐步向主源区降低，性能不足以支持齿轮转动而失效；同时热能的传导使得齿轮不同部位的硬度值、硬度降、硬化层产生差异，最终导致轮齿磨损、磨平，无法带动后桥转动而失效[1]。

表2 20CrNiMo化学成分质量分数 %

6 验证分析

为验证齿轮的失效是因高温的影响，我们对从动齿轮与被动齿轮轴配合的轴承内的滚珠硬度进行了检测，滚珠硬度检测情况如表4所示。滚珠轴承滚珠的硬度也因热影响而降低了许多，这也证实了前述的分析。

表4 滚珠硬度检测结果HRC

图3 花键处组织（400×）

图4 轮齿背锥面渗碳层深度（80×）

图6 轮齿大端面渗碳层深度（80×）

图8 花键处组织（400×）

图9 轮齿背锥面渗碳层深度（80×）

7 结论

1）轴线偏置的齿轮，沿齿长和齿高方向都存在相对滑动，主/从动齿轮偏置距为20.03 mm。这种齿轮对于齿轮润滑要求比较高，对于安装误差比较敏感。而其它普通齿轮，包括斜齿轮，对润滑要求没有这么高。故这类双曲线螺伞齿轮，一旦油位过低、失油、缺油、选用润滑油质量不理想，或者安装存在某些误差，在很短的时间内，都能造成轮齿表面早期磨损。

2）双曲线齿轮的接触区以距齿顶1 mm，接触区高度＞50%的齿全深，位置在中间略偏小端为最佳。把700 km失效的从动齿的齿冠距、外形和成品齿轮进行比较，发现接触区发生了一定的偏移。如果轮齿接触区，距齿顶＜1 mm，接触区的高度＜50%的齿全高，接触区的部位不理想，也能导致齿顶早期磨损失效。

3）轮齿在啮合运行过程中，如在严重超载、恶劣的路况环境等情况下，将会受到较大的接触压力和较大的冲击，巨大的动能转化为热能，使轮齿表面产生高温，从而导致轮齿早期磨损。