黃珍珍 ， 滕旭東 ， 符三華

（1.中國航發(fā)常州蘭翔機(jī)械有限責(zé)任公司，江蘇 常州 213022；2.空軍裝備部駐常州地區(qū)軍事代表室，江蘇 常州 213022）

0 引言

燃?xì)鉁u輪起動機(jī)是一種帶自由渦輪的小型渦軸發(fā)動機(jī)，主要用于發(fā)動機(jī)的地面起動、冷運轉(zhuǎn)、假開車、啟封、油封等。其功率和轉(zhuǎn)速通過與動力渦輪軸相連的彈性軸傳遞給減速器，經(jīng)減速器將功率和轉(zhuǎn)速傳遞給飛附傳動箱。減速器齒輪系為兩級星形傳動，功率分三路傳遞。輸入主動齒輪通過彈性軸花鍵與動力渦輪轉(zhuǎn)子相連，并與3 個均布的中間雙齒輪相嚙合，經(jīng)中間雙齒輪二級齒輪和從動齒輪，將轉(zhuǎn)速和功率通過斜撐式超越離合器傳遞給飛附傳動箱，從而起動主發(fā)動機(jī)。結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

文獻(xiàn)[1-5]給出了工程應(yīng)用中常見的零件裂紋及失效形式，有疲勞、材料缺陷、腐蝕等各類失效模式。齒輪斷齒分析均可以通過常規(guī)的失效分析手段進(jìn)行，包括宏微觀檢查、組織檢查等。本次故障主動齒輪輪齒全部斷裂，除了采用失效分析手段以外，還采用KISSsoft 軟件定性分析輸入級齒輪副的嚙合應(yīng)力變化趨勢，準(zhǔn)確定位。本研究通過對齒輪故障件的斷齒形貌檢查、計算分析，確定斷齒的原因，并制定改進(jìn)措施解決該故障。

1 形貌及模式分析

1.1 外觀檢查

圖 1 減速器傳動簡圖Fig.1 Transmission diagram of retarder

宏觀目視檢查發(fā)現(xiàn)，主動齒輪的15 齒全部斷裂，螺母與主動齒輪配合一側(cè)出現(xiàn)擠壓磨損，如圖2所示。彈性軸定位段出現(xiàn)嚴(yán)重膠合（圖3）。

圖 2 主動齒輪及螺母Fig.2 Driving gear and nut

圖 3 彈性軸Fig.3 Elastic transmission shaft

主動齒輪齒底斷裂的2 個斷口斷面平坦，可見清晰的疲勞弧線（圖4）。螺母配合一端殘留輪齒高于碾平高度的二次損傷斷裂斷口粗糙，斷面上擠壓變形嚴(yán)重，個別斷口上可見疲勞弧線（圖5）。主動齒輪上與螺母配合一側(cè)的輪齒端面磨損嚴(yán)重。根據(jù)該情況判斷，殘留輪齒上的二次斷裂及開裂現(xiàn)象均為故障發(fā)生時碾磨擠壓導(dǎo)致。

1.2 金相組織檢查

通過電子顯微鏡觀察主動齒輪，輪齒斷口可見清晰的疲勞弧線，起源于距配合一側(cè)端面約4.26 mm（嚙合寬度約10 mm）的工作面，呈點源特征，源區(qū)未見冶金缺陷，擴(kuò)展區(qū)可見疲勞條帶（圖6）。

圖 4 主動齒輪斷裂外觀Fig.4 Appearance of the fractured driving gear

圖 5 殘留輪齒二次斷裂斷口形貌Fig.5 Appearance of secondary fracture of residual gear teeth

1.3 模式分析

主動齒輪出現(xiàn)斷齒，中間雙齒輪齒底出現(xiàn)開裂。主動齒輪斷齒和中間雙齒輪的裂紋均位于齒底，呈現(xiàn)“挖根式”斷裂或開裂，裂紋斷口平坦，可見典型的疲勞弧線，說明主動齒輪斷裂和中間雙齒輪開裂性質(zhì)均為輪齒彎曲疲勞[6-7]。主動齒輪先發(fā)生了疲勞斷齒，其發(fā)生輪齒彎曲疲勞斷裂掉齒后導(dǎo)致主動輪嚙合段磨損剔齒等后續(xù)損傷。彎曲疲勞失效主要可能與其承受了較大的振動沖擊等工作載荷有關(guān)[8]。

2 計算分析

根據(jù)設(shè)計要求，彈性軸與動力渦輪轉(zhuǎn)子花鍵為0～0.10 過盈配合，用沿N 方向（圖7）對彈性軸后花鍵端面（5±2） mm 處施加98～147 N 的載荷時（分別在2 個相互垂直的平面內(nèi)施加），彈性軸相對于轉(zhuǎn)子不能用徑向位移的辦法來檢查裝配的正確性。徑向位移偏大會直接導(dǎo)致輪系偏載。復(fù)查故障機(jī)裝配時彈性軸與動力渦輪轉(zhuǎn)子花鍵配合為間隙配合。

圖 6 主動齒輪殘留輪齒上斷口微觀形貌Fig.6 Microscopic feature of residual tooth fracture of the driving gear

圖 7 彈性軸加載位置Fig.7 Location of the elastic transmission shaft

如果彈性軸偏斜量大于輸入主動齒輪浮動量時會使輸入主動齒輪發(fā)生偏斜，進(jìn)而導(dǎo)致一級齒輪副嚙合發(fā)生偏載，故在輸入主動齒輪偏斜情況下采用KISSsoft 軟件定性分析輸入級齒輪副的嚙合應(yīng)力變化趨勢[9]。

采用ISO6336 標(biāo)準(zhǔn)在大發(fā)冷運轉(zhuǎn)狀態(tài)下定性分析輸入主動齒輪（不考慮輸入主動齒輪0.07～0.11 mm 浮動量）沿軸線偏斜0、0.01、0.02、0.04、0.06 mm 時的接觸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力齒輪嚙合應(yīng)力變化趨勢。齒輪16Cr3NiWMoVNbE 棒材技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的強(qiáng)度為1 275 MPa[10-12]。采用ISO6336標(biāo)準(zhǔn)計算強(qiáng)度，輸入級齒輪副的齒面接觸應(yīng)力許用值為1 651.1 MPa，彎曲應(yīng)力許用值為620.5 MPa。計算結(jié)果如表1 所示。其中應(yīng)力分布如圖8、圖9所示。

表 1 徑向偏斜位移值對應(yīng)的接觸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力Table 1 Contact stress and bend stress with radial displacement

根據(jù)計算分析可知，隨著徑向偏斜位移值的增大，齒輪沿其齒寬方向的嚙合性變差，齒面局部接觸應(yīng)力和齒根彎曲應(yīng)力增大，位置為輸入主動齒輪前端嚙入?yún)^(qū)域，與故障件損傷位置一致。當(dāng)偏斜量為0.02 mm 時，齒面接觸應(yīng)力不滿足使用要求，齒根彎曲應(yīng)力滿足使用要求；當(dāng)徑向偏斜量超過0.043 mm 時，齒面接觸應(yīng)力和齒根彎曲應(yīng)力均不滿足使用要求。

圖 8 徑向偏斜位移值不同時齒面接觸應(yīng)力分布Fig.8 Distribution of contact stress with radial displacement

圖 9 徑向偏斜位移值不同時齒根彎曲應(yīng)力分布Fig.9 Distribution of bend stress with radial displacement

彈性軸歪斜后將導(dǎo)致3 個中間雙齒輪偏載，齒面接觸應(yīng)力、齒根彎曲應(yīng)力均增大和非工作面受擠壓，此為導(dǎo)致齒輪斷齒失效的直接原因。

3 振動試驗

選用一臺試驗機(jī)，在減速器中機(jī)匣上分別設(shè)置垂直振動測點和水平振動測點，動力渦輪軸內(nèi)花鍵與彈性軸前花鍵滾棒間尺寸差按間隙0.032 mm選配，彈性軸所測加載徑向位移為0.02～0.03 mm，分別在起動機(jī)狀態(tài)、大發(fā)冷運轉(zhuǎn)狀態(tài)、大發(fā)起動狀態(tài)進(jìn)行振動測量試驗。試驗結(jié)果表明：彈性軸前花鍵間隙配合，大發(fā)起動狀態(tài)時，渦輪轉(zhuǎn)子振動超限，并存在3 個峰值點，持續(xù)時間1～2 s。彈性軸前花鍵與動力渦輪軸內(nèi)花鍵為間隙配合時，直接導(dǎo)致動力渦輪組件垂直方向振動增大。

4 故障原因及機(jī)理

彈性軸前花鍵與動力渦輪軸內(nèi)花鍵未按過盈配合要求而采用間隙配合，導(dǎo)致渦輪轉(zhuǎn)子組件振動增大，加劇彈性軸前花鍵磨損、定位段單向膠合，進(jìn)而導(dǎo)致安裝在彈性軸上的輸入主動齒輪產(chǎn)生歪斜，惡化了齒輪副嚙合狀態(tài)，齒輪接觸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力顯著增加，最終產(chǎn)生疲勞斷齒。彈性軸徑向位移未按要求進(jìn)行控制，徑向位移偏大直接導(dǎo)致齒輪副偏載。

通過振動試驗及彈性軸加載徑向位移對比試驗可知：彈性軸前花鍵與動力渦輪軸內(nèi)花鍵間隙配合，會導(dǎo)致動力渦輪轉(zhuǎn)子振動和彈性軸偏斜量增大。振動增大反過來促使彈性軸前花鍵與動力渦輪軸內(nèi)花鍵磨損加劇，同時導(dǎo)致定位段與動力渦輪軸內(nèi)孔單向碰磨膠合，彈性軸偏斜量不斷增大，直至超出輸入主動齒輪浮動量的補償能力，導(dǎo)致輪系偏載，使齒輪接觸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力增大，當(dāng)接觸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力超出許用值時，齒面發(fā)生剝落，齒根產(chǎn)生裂紋，最終導(dǎo)致齒輪斷齒失效。

5 改進(jìn)措施

1）按設(shè)計要求嚴(yán)格控制彈性軸前花鍵與動力渦輪轉(zhuǎn)子的過盈配合，調(diào)整為彈性軸鍍銀前5～40 μm 過盈選配要求。

2）嚴(yán)格按設(shè)計要求在彈性軸加載試驗時徑向位移測量位置，執(zhí)行彈性軸加載徑向位移的檢測要求，保持彈性軸裝配質(zhì)量。

3）增加齒輪噴丸處理，進(jìn)一步加強(qiáng)齒輪系的抗疲勞性能。

6 結(jié)論

1）減速器齒輪輪齒斷裂性質(zhì)為彎曲疲勞。

2）減速器齒輪輪齒斷裂原因是彈性軸前花鍵配合由過盈配合變?yōu)殚g隙配合導(dǎo)致了徑向位移和渦輪轉(zhuǎn)子振動顯著增大。

3）彈性軸徑向位移偏大直接導(dǎo)致齒輪副偏載，齒輪接觸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力增大。