齒輪疲勞點蝕的特征及案例分析
疲勞點蝕的定義及特征
點蝕又稱接觸疲勞磨損,是潤滑良好的閉式傳動的常見失效形式之一。齒輪在嚙合過程中,相互接觸的齒面受到周期性變化的接觸應力的作用。若齒面接觸應力超出材料的接觸疲勞極限時,在載荷的多次重復作用下,齒面會產生細微的疲勞裂紋;封閉在裂紋中的潤滑油的擠壓作用使裂紋擴大,最后導致表層小片狀剝落而形成麻點,這種疲勞磨損現象在齒輪傳動中稱為點蝕。節線靠近齒根的部位最先產生點蝕。潤滑油的粘度對點蝕的擴展影響很大,點蝕將影響傳動的平穩性并產生沖擊、振動和噪音,引起傳動失效。
點蝕又分為收斂性點蝕和擴展性點蝕
收斂性點蝕指新齒輪在短期工作后出現點蝕痕跡,繼續工作后不再發展或反而消失的點蝕現象。收斂性點蝕只發生在軟齒面上,一般對齒輪工作影響不大。擴展性點蝕指隨著工作時間的延長而繼續擴展的點蝕現象,常在軟齒面輪齒經跑合后,接觸應力高于接觸疲勞極限時發生。硬齒面齒輪由于材料的脆性,凹坑邊緣不易被碾平,而是繼續碎裂成為大凹坑,所以只發生擴展性點蝕。嚴重的擴展性點蝕能使齒輪在很短的時間內報廢。
疲勞點蝕的實例
某重型車輛側減速器主動齒輪發生了早期失效,失效齒輪與行星轉向機相連,將全車動力傳遞到行動部分,是全車受載最大的齒輪,始終在大載荷、高轉速、多沖擊的復雜苛刻環境下工作。齒設計上采用整編為齒輪,傳動比為5.9,潤滑方式為油池飛濺潤滑,實效齒輪材料為18Cr2Ni4WA鋼,采用滲碳+淬火+低溫回火熱處理工藝。
失效齒輪發生嚴重的接觸疲勞失效,使用壽命未達到規定時間。采用斷口分析、金相分析、硬 度測試及有限元接觸應力分析等方法對齒輪進行失效分析,查找該齒輪實效的原因(由于篇幅有限 以及結合自身知識面,僅列舉出端口分析和金相分析兩項結果)。
1.斷口分析
通過對失效齒輪宏觀觀察發現.在嚙合受力齒面的節線附近靠近齒根一側,沿齒寬方向分布許多剝落坑,剝落坑附近有許多點蝕坑,這些點蝕剝落坑再吃款方向上基本連成一線,形成由點蝕剝落 坑組成的凹坑帶,基本與齒寬同長。經掃描電鏡觀察,失效齒輪的點蝕剝落坑帶上有較多面積在2mmz以上剝落坑,剝落坑最大深度為0.8mm,剝落坑底部有較淺的疲勞輝紋,底部大致與表面平行。剝落坑側面一側大致與表面成45°角,另一側約垂直于表面,剝落部分一端與齒輪基體分離,形成懸臂梁。通過對齒輪磨損面的分析,發現失效齒輪具有典型的接觸疲勞特征, 而且齒輪節線附近偏向齒根一側的接觸疲勞較為嚴重。
2.顯微組織分析
從失效齒輪輪齒部位取樣拋光.經4%的硝酸酒精溶液腐蝕后,在Olympus金相顯微鏡下進行觀察。試樣心部組織為低碳板條回火馬氏體及少量鐵素體。滲碳層組織為高碳針狀回火馬氏體及少量殘余奧氏體,馬氏體針葉略微粗大。
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