探索重型汽车发动机齿轮失效分析及改善途径

韦锦顺

摘 要：站在重型汽车发动机齿轮失效分析角度来说，主要涉及到的内容有理化检验或者是扫描电镜等等，实现对失效齿轮的全面分析，同时将失效齿轮结构呈现出来。本文根据以往工作经验，对失效件描述情况进行总结，并从化学成分及硬度检验分析、齿面断口分析、结构分析、断齿扫描电镜分析四方面，论述了重型汽车发动机齒轮失效分析。

关键词：重型汽车;发动机;齿轮

为了方便研究，本位以某中型汽车发动机齿轮为例。当发动机出现故障问题之后，工作人员发现曲轴后齿轮出现三个齿断裂情况，其他零部件依旧完好，而且该种断裂情况是第一次出现。为了呈现出更好的研究效果，工作人员需要对该断裂的曲轴后齿轮失效模式进行深入性研究，确定针对性的解决对策，降低同类故障的出现几率，强化发动机应用的可靠性。

1 失效件描述

曲轴后齿轮有三个齿出现问题，具有情况如图1所示，该曲轴后齿轮在制作过程中，主要材料为20MnCr5低碳合金钢，在经过渗碳猝火操作之后，表面硬度能够达到59到63HRC。对于实际硬化层深度，最为常见的范围为0.5到0.7mm，心部强度为34.5到44HRC。除此之外，在实际制造工艺内容之中，主要涉及到下料、锻造、正火、粗加工、精加工和包装。

2 重型汽车发动机齿轮失效分析

2.1 化学成分及硬度检验分析

为了更好的进行研究，工作人员可以在失效件上执行有效的取样检验操作。从实际检验结果中能够看出，化学成分、金相组织以及心部硬度均处于合理状态之下。反观表面硬度和有效硬化层深度，也基本上处于合格状态，一旦出现不合格数据，主要原因可能是由于硬化层深度太薄所导致的，具体深度低于0.8mm，此时，人们在洛氏硬度计应用时，容易将有效硬化层击穿，这也是对基层硬度的直接反映。为了确保误差测量的准确程度，工作人员可以借助于金相法对其进行全面测量，确定具体的误差范围。

2.2 齿面断口分析

站在断齿齿面角度来说，具体情况如图2所示，裂纹是从轮齿根部开始起裂，沿着渗碳层逐渐扩展开来，从实际断口形貌上能够看出，当表面渗碳层裂纹初步朝着向心部扩展时，实际齿轮的有效接触面积逐步缩小，如果剩余有效面积无法承受系统产生的荷载，便会出现齿轮断裂问题。从这里也可以看出，由于失效齿轮在加工或者是设计过程中存在各种各样的问题，进而引发明显的偏载问题，齿轮面的实际受力面积同样会出现偏移现象，导致局部超荷载，也正是由于应力过大，甚至会超过渗碳层强度，进而在齿根处引发应力集中问题，所产生的裂纹会继续朝着根心部发展，加剧了齿断问题的出现几率。对于失效件齿轮，与断齿临近的齿已经出现严重磨损现象，磨平厚度几乎达到了二分之一。从这里也可以看出，由于齿根部圆弧加工存在一些问题，当齿轮在啮合过程中，无法保证足够的齿面接触，增加了疲劳断裂问题的出现几率。

2.3 结构分析

在结构分析工作执行上，主要是对曲轴后齿轮失效件的详细尺寸检验操作，分析手段为三坐标，主要检查的项目有齿根圆直径、沉孔直径以及沉孔边缘倒角等等。从实际检验结果中能够看出，失效件根部有2个0.2左右的圆弧过渡，容易将啮合齿轮之间的接触面积缩小，降低两齿啮合的接触精度。为了将齿轮疲劳寿命提升，最高就是应用大圆弧滚刀加工，强化齿根圆角，将疲劳寿命大大降低。相关研究表明，采用大圆弧滚刀切齿，能够将整个齿轮寿命提升至之前的3倍。

2.4 断齿扫描电镜分析

当断口使用丙酮清洗完之后，工作人员可以确定裂纹源，主要集中在齿轮边缘处。透过实际观察和研究，裂纹源附近存在微裂纹现象，如果是站在微观形貌角度来说，更容易出现疲劳破坏问题。因此，在断齿扫码分析工作结束之后，工作人员能够明确具体的断齿原因，以及后续的工作方向。

3 改善措施

从上述结构分析过程中能够看出，重点内容主要集中在齿根设计上。另外，对于齿轮轮齿设计，相关工作人员应保证其齿面存在足够的接触疲劳强度，对于齿轮齿根部分，应保证良好的圆滑过渡性，如果齿面接触面积有所提升，剩余应力也会处于较低状态，让抗弯疲劳强度得到有效保证。除此之外，相关工作人员也可以通过计算机模拟计算，将齿轮根部圆弧过渡效果更好的呈现出来，具体规格为2个R0.2左右的圆弧，为后续工作的执行创造有利条件。

4 结论

综上所述，通过对曲轴后齿轮失效埋件理化性能的检验和分析，能够帮助工作人员将齿轮失效件理化性能校验技术要求呈现出来，为后续工作的开展创造有利条件。借助于齿轮失效件扫描电镜以及三坐标检验结果分析，人们也能实现对齿轮的有效改进操作，让整个台架疲劳试验显得更加完善，让重型汽车发动机齿轮失效问题得到合理解决。

参考文献：

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