齿轮发生随机断裂的原因和预防措施

2020-02-23朱孝录

金属加工(热加工) 2020年2期

朱孝录

北京科技大学北京 100083

1 序言

轮齿折断（断裂）是一种危险性很大的最终失效形式。在GB/T 348l—1997《齿轮轮齿磨损和损伤术语》（ISO 10825：1995）中，将轮齿的断裂（折断）细分为以下几种：过载折断、疲劳折断、剪断和抹断。标准中没有包含轮齿经常出现的随机断裂。

轮齿的随机断裂是指不与齿根圆角截面有关的轮齿断裂。断裂部位随轮齿缺陷、损伤或过高的有害残余应力的位置而定，如图1所示。从图1可以看出，正常的弯曲疲劳断裂的断裂线都起源于30°切线点附近；而如果轮齿腰部出现严重损伤，例如深层剥落，就会产生很大的应力集中而引发随机断裂。齿顶的随机断裂多数是由于热处理缺陷和齿轮偏载造成的。

在1980年的AGMA 110.4标准中，首先提出了随机断裂（Random fracture）这一词条。我国GB 3481—1983中也收录了这一词条。1979年的DIN 3979中只定义了轮齿的过载折断和疲劳折断，而没有随机断裂词条。在我国等同采用ISO标准的GB/T 3481—1997《齿轮轮齿磨损和损伤》术语中，也没有随机断裂这一词条。由此可见，随机断裂这一重要的失效现象并没有引起人们广泛的注意。

随机断裂在减速机的齿轮中经常出现，特别是硬齿面齿轮更是如此，笔者曾经多次呼吁恢复随机断裂这一词条，见文献[1-3]。

图1 轮齿的正常疲劳断裂和随机断裂

2 轮齿发生随机断裂的原因

齿轮轮齿发生随机断裂的原因很多，主要有：

1）随机断裂通常是由于轮齿缺陷、点蚀、剥落或其他应力集中源在该处形成过高局部应力集中引起的。

2）夹杂物、细微磨削裂纹等轮齿缺陷在交变应力作用下，裂纹不断扩展导致轮齿随机断裂。

3）不当热处理造成的过高残余应力也能引起轮齿的局部断裂。

4）载荷过大，或轮齿修形不到位，引起啮入冲击载荷过大，都会造成随机断裂。

5）轮齿偏载造成的齿面损伤会引起轮齿腰部或轮齿根部的随机断裂。

6）较大的异物进入啮合处也会使局部轮齿断裂。

3 轮齿随机断裂的分类和实例

轮齿的随机断裂根据断裂部位不同可以分为3类：齿顶随机断裂、齿腰随机断裂和齿根随机断裂。下面是轮齿随机断裂的一些实例。

（1）齿顶随机断裂由于轮齿偏载，齿面出现深层剥落造成轮齿齿顶断裂，如图2所示。硬齿面齿轮由于热处理缺陷，齿顶硬度过高也会造成齿顶随机断裂。

图2 齿面深层剥落造成轮齿齿顶随机断裂

（2）齿腰随机断裂轮齿腰部如果有缺陷、损伤，就有可能发生齿腰随机断裂。图3就是40Cr钢渗氮齿轮齿面压裂后产生的随机断裂。随机断裂的断口形貌与一般疲劳断齿相似。

图3 渗氮齿轮齿面压裂后产生的随机断裂

图4 是球墨铸铁齿轮齿面压碎后产生的齿腰随机断裂。图5是轮齿腰部裂纹和齿腰随机断裂的实例。

（3）轮齿根部随机断裂轮齿根部随机断裂是指有效工作齿面的根部发生断裂，它与30°切线点断裂无关。图6是螺旋角β=30°的斜齿轮（渗碳淬火齿轮），在正常情况下不可能出现整齿断裂，但由于啮入冲击使齿根部位出现深层剥落，剥落坑的应力集中造成了轮齿的随机断裂。

图4 球墨铸铁齿轮齿面压碎后产生的随机断裂

图5 轮齿腰部裂纹和随机断裂

图6 深层剥落造成齿根部位的随机断裂

再举一个齿根随机断裂的实例：某风电机行星增速器的齿圈，有数个齿都在输入端发生断裂或出现裂纹，如图7所示。由图7可见：裂纹出现在实际工作齿面的齿根，而不是出现在弯曲应力和应力集中最大的齿根部位。由于数个断齿和开裂未断的齿都发生在内齿圈的输入端，并且位置及裂纹长度形貌基本一致，由此可以认为，该齿圈传动有较大的偏载，该处出现了很大的接触应力，使齿面遭受到了严重的损伤——可能是表层压碎。

轮齿的断口如图8所示。由于偏载，接触应力过大造成表层压碎，因此断口会有压碎层（通常是表面硬化层）。表层压碎的裂纹产生很大的应力集中，促成疲劳裂纹的扩展，形成疲劳裂纹扩展区。疲劳裂纹扩展区逐渐扩大，裂纹扩展的速度加快，出现裂纹快速扩展区。最后轮齿承受不了载荷而断裂（齿根部随机断裂），形成瞬断区。