文/孟江濤·洛陽華冠齒輪股份有限公司

直錐齒輪的可靠性探討

文/孟江濤·洛陽華冠齒輪股份有限公司

齒輪是一種應用最廣的機械傳動基礎零件，因其具有結構緊湊、傳遞動力大、傳動比變化范圍及傳動功率范圍大、效率高、壽命長、可靠性好和瞬時傳動比恒定等特點，被廣泛應用于交通、風電及裝備制造業(yè)等基礎產(chǎn)業(yè)領域內。齒輪按其輪齒齒廓曲線，可分為漸開線、擺線、圓弧線和雙圓弧線齒輪等；按其外形可分為圓柱齒輪、圓錐齒輪、蝸桿蝸輪、鼓形齒輪和非圓齒輪等；按其運動形式，又可分為平行軸傳動、相交軸傳動和交錯軸傳動等。齒輪廣泛應用于各種傳動機械內，盡管其結構和形狀千變萬化，但其精度標準是統(tǒng)一的，失效形式是相似的。研究齒輪的精度及做好產(chǎn)品的過程控制、提高齒輪的使用壽命，是企業(yè)得以長足發(fā)展、行業(yè)得以持續(xù)進步的關鍵。

標準和檢驗

直錐齒輪適用于軸線相交的兩軸間傳動，軸線成直角或非直角，其精度直接影響到傳動的平穩(wěn)性、噪聲、磨損及壽命。錐齒和準雙曲面齒輪共用一個標準，即GB11365-89《錐齒輪和準雙曲面齒輪精度》，此標準中詳細闡述了錐齒輪的精度及誤差的來源，按要求對三個公差組的十一個檢驗組進行測量評定，特別對三個公差組中的齒距累積誤差、齒距偏差、齒圈跳動和周節(jié)極限偏差進行靜態(tài)檢驗，與標準公差值相對應，以判定齒輪的精度等級。而作為精密鍛造的直齒錐齒輪而言，因其生產(chǎn)工藝的特殊性（大批量鍛造、后續(xù)機加工以錐齒齒形定位，控制其他尺寸和精度），故僅對鍛造齒模型腔齒形，進行上述檢測項目的靜態(tài)檢驗，要求其精度須達到GB11365-89的6級精度，方可進行鍛造。而所鍛造產(chǎn)品在后續(xù)機加工過程中，須對三個公差組中的齒切向綜合誤差、齒軸交角綜合誤差和接觸斑點進行動態(tài)檢驗，同時對其齒圈跳動、安裝基準面的跳動進行控制和檢驗。

在實際生產(chǎn)過程中，差速器直錐齒輪，通常是用專用無側隙嚙合檢測儀來衡量一對相嚙合的被檢齒輪的精度。

⑴齒切向綜合誤差評定齒輪的工作平穩(wěn)性最為全面，可以測量出由于齒距誤差和齒形誤差所引起的傳動誤差，即反映輪齒從進入嚙合到脫離嚙合整個過程中的傳動誤差，為動態(tài)綜合檢驗項目，也就是我們常說的一對齒輪對滾檢驗中被檢齒輪的單齒跳動。

⑵一齒軸交角綜合誤差，是在雙面嚙合條件下滾動檢查的，所得到的數(shù)據(jù)描繪成曲線，即為一對齒輪在對滾檢驗中，被檢齒輪輪齒的兩個面同時接觸的結果，若一對齒輪持續(xù)對滾數(shù)周，百分表上反映的數(shù)據(jù)，也就是我們常說的被檢齒輪相對于標準輪的一周跳動。

⑶接觸斑點的檢驗，適用于大批量的、具有互換性的錐齒輪生產(chǎn)中，由被檢齒輪與標準輪對滾而得。一般而言，只要動態(tài)檢驗過程中，單齒跳動不超過0.05mm，一周跳動不超過0.10mm，接觸印痕在齒長方向偏小端占全齒長2/3、在齒高方向偏齒頂占全齒高1/3，接觸面積占全齒40％～60％，就較為理想，即證明漸開線齒形設計的恰到好處，在此齒形精度控制的基礎上，嚴格控制其他相關尺寸及裝配面的精度，使得最終生產(chǎn)出的齒輪傳動平穩(wěn)，接觸良好，噪聲理想。

失效分析和改進

在差速器總成中，直錐齒輪用來增加轉矩并調節(jié)左右輪的轉速，將動力傳到驅動輪，推動車輛運行。這類齒輪受力較大，受沖擊頻繁，工作條件比機床齒輪復雜。因此，對耐磨性、疲勞強度、芯部強度和韌性等要求比其他齒輪高，其通常的失效或損壞形式有：輪齒斷齒（折斷），齒面點蝕及剝落，齒面磨損，齒面膠合，齒面塑性變形等。而斷齒和齒面點蝕及剝落，對齒輪影響最大，直接快速導致齒輪副損壞，設備發(fā)生故障，甚至造成安全事故。20世紀以前，因制作錐齒輪鍛造齒模的型腔，仍沿用傳統(tǒng)的老工藝（刨齒機刨削合格的紫銅電極，然后通過電火花設備，電蝕去除材料的方法得到齒模型腔），使得鍛造出的齒輪齒根呈尖角，偶爾個別齒數(shù)較少的齒輪，極易出現(xiàn)根切現(xiàn)象，這樣就導致齒根部位因熱處理產(chǎn)生應力集中，根切時導致齒根部位齒厚減小，使得齒根部位強度不足，兩者疊加就容易產(chǎn)生輪齒斷齒現(xiàn)象。

隨著近年來裝備制造業(yè)的提升，高速數(shù)控銑在模具行業(yè)的大力推廣，運用三維軟件對齒輪進行實體造型，對于齒輪少齒根切現(xiàn)象，可完全通過修正來解決，并且使齒根、齒頂圓角過渡，如圖1所示，在一對齒輪嚙合互不干涉的情況下，盡量使齒根圓角大些（一般取大端模數(shù)的0.2～0.4倍），齒頂為減小應力集中，取齒根圓角的一半，這樣通過對修正后的齒輪實體進行數(shù)控編程，加工紫銅電極或直接加工模具，最終鍛出的齒輪就可大大避免斷齒現(xiàn)象。另外為了增加輪齒強度，避免斷齒，經(jīng)與用戶溝通改進了直錐齒輪的結構，即在行星齒輪小端和半軸齒輪小端及部分大端，增添封閉型加強筋，這樣可使錐齒小端每一個齒相互關聯(lián)，直觀上每個錐齒小端齒槽內填充了材料，增加了各個齒的剛性和強度，大端視情況，個別齒輪也可同樣進行封閉，如圖1所示。

圖1齒根、齒頂圓角過渡

這樣可有效避免各個齒的先期損壞，同時每個齒與小端封閉處都形成光滑的圓角過渡，有利于避免和減小過渡處的應力集中，減少了早期損壞源的潛在產(chǎn)生。而點蝕和剝落則是一個復雜的問題，其是各個因素（包括原材料、熱處理、齒面粗糙度及齒形精度等）的綜合反映，一直以來都是重載齒輪輪齒面疲勞損壞最普遍的形式。點蝕通常發(fā)生于輪齒節(jié)圓附近，剛開始呈現(xiàn)點狀麻點、凹坑，并逐步擴展以致成塊狀剝落，其是初始點蝕、破壞性點蝕、直至表面剝落的漸進過程。初始點蝕通常是因齒面粗糙或有嚴重疵點（鍛造時的氧化麻點及磕碰傷），在齒輪正常嚙合傳動時，局部區(qū)域承受較大的接觸應力，在頻繁接觸應力的作用下，可能在局部區(qū)域產(chǎn)生疲勞并出現(xiàn)小區(qū)域的點蝕現(xiàn)象。初始點蝕并不可怕，齒面粗糙或疵點通常會隨著輪齒繼續(xù)嚙合運動而趨于平滑，此時齒面局部高應力也就下降了，齒面初始點蝕也就隨之停止。破壞性點蝕通常產(chǎn)生于齒輪節(jié)圓以下的齒根區(qū)域，是由于齒根處曲率半徑較小，齒面接觸應力較高而產(chǎn)生的，呈小點狀，金屬脫落形成凹坑，當繼續(xù)擴大或點蝕坑相互連接起來，可能會造成較大面積破壞，即齒面剝落。但隨著新工藝的推行，齒根處的破壞性點蝕并不多見，而常見的齒面剝落，是由于齒面皮下缺陷、熱處理后滲層組織欠佳或內應力過大，以及齒輪制造或裝配不當導致的偏心過載所造成的，這類剝落通常在齒面產(chǎn)生的凹坑，往往也比破壞性點蝕造成的剝落坑更大、更深、更明顯，如圖2所示。對齒輪傳動的影響也最大，會造成相關件的損壞。齒面磨損一般是在潤滑不當或潤滑油內雜質過多，齒輪傳動時兩齒面非正常嚙合而產(chǎn)生的。齒面膠合以及齒面塑性變形而導致的齒輪損壞也不多見。

通過數(shù)十年對錐齒輪鍛造加工實踐的探索分析，認為有如下方法可以提高齒輪的精度和壽命：

⑴通過對齒輪結構的改進以提高其強度和剛性。

⑵通過對齒形、齒向的修形，三維建模時使得漸開線齒面形成鼓形齒，可任意調整一對齒輪的接觸印痕和接觸面積，以提高其接觸精度。

⑶通過齒根、齒頂圓角的過渡，以減少齒輪根切導致齒根部位強度不足，減少齒根、齒頂尖角的熱處理應力，綜合提高齒輪的強度，避免齒輪斷齒。

⑷通過對齒輪參數(shù)的修正、調整，以減小一對齒輪嚙合傳動時的單齒跳動和一周跳動，來增加齒輪副的傳動平穩(wěn)性。

⑸通過改進模具的加工工藝和方法，提高鍛模的精度和表面粗糙度，以最終提高所加工齒輪的精度和齒面粗糙度，減少齒輪嚙合傳動時的疲勞磨損。

⑹通過對齒輪鍛后機加工前的拋丸，使工件表面材料發(fā)生彈塑性變形，延伸及材料表層，在表層下產(chǎn)生壓應力，從而抵消鍛造時產(chǎn)生的不良拉應力。

⑺通過對齒輪熱處理后拋丸，將表層部分殘余奧氏體轉化為馬氏體，可增加材料的硬度，形成壓應力，該殘余壓應力延緩了疲勞斷裂的形成，從而延長齒輪的安全使用壽命。

結束語

綜上所述，通過上述一系列措施的逐步實施，齒輪壽命不斷得到提高。但總體來說，我國的齒輪制造水平和先進發(fā)達國家相比，還相差甚遠。盡管國內齒輪行業(yè)數(shù)年來得到飛躍發(fā)展，在世界上已成為名副其實的第二大齒輪國，但實際水平僅相當于發(fā)達國家20世紀90年代中后期，齒輪及齒輪的可靠性，已成為我國高端制造的瓶頸。雖然齒輪的可靠性研究是一個復雜的課題，是一個漫長的過程，但只要我們潛心研究，瞄準“提質（量）減重（量）、延（長）壽（命）降（低）噪（聲）”的目標，踏踏實實研究、改進，就一定能做到“傳動造福人類，齒輪傳動世界?！?/p>

圖2常見的齒面剝落