机械设计优秀案例分享——〖案例3〗轮齿折断的原因

六月飘雪

轮齿折断是一种非常危险的失效形式，会导致各种不同程度的问题，如这个例子，最终结果是导致输出轴停止转动。

1.问题描述

    普通的一级斜齿传动减速箱，功率200KW，材料20CrNiMoA，使用了六个月。现在出现问题，大齿轮出现断齿，小齿轮被剃成光轴，如图3-1。

2.讨论

    甲说，这种情况是典型的齿根折断，原因有很多，可以分为弯曲疲劳折断、过载折断、随机折断、轮齿剪断和塑变后折断，但具体到实际，则要对根据现场情况判断。

     粗略估计，应是过载引起的齿根断裂，即实际载荷超过齿根许用强度所致；在实际传动过程中存在冲击载荷，冲击过程中产生微观裂纹，运转时间长了导致裂纹扩大最后断裂，症结可能在材料和热处理上。

     对此提问者提出疑问：从图中可以看到，小齿轮是被大齿轮切削的，而大齿轮除了断了几个齿，剩下的齿的齿面都保持完整，按理说是小齿轮的硬度要高，不应是如此情况。

    甲回应说，硬度和强度是两个概念，可以理解为设计时的出发点不同；就目前来看，估计该单级斜齿传动是从齿面强度角度设计，而没有再校核齿根强度，或者是实际载荷超过设计允许载荷造成断齿。

     对甲的观点乙比较赞同，说：小齿轮确是比大齿轮硬，选择材料的硬度差一般为四十（普通传动，小齿轮280hbs，大齿轮240hbs）；但此处的问题在于大齿轮齿根弯曲强度不够，而小齿轮表面接触疲劳强度不够；分析应是校核的时候没校核好，或者热处理的时候没按要求。

    丙要求看看断齿的照片，提问者解释说小齿轮已经被磨成颗粒状，而大齿轮崩了二十几个齿，图3-2为其中最为完整的一个。

    提问者指出，据他观察，这块断齿的齿面非常光滑，看不出有什么损伤，而其他断齿的齿面多少都有伤痕，应该是第一块被崩掉的齿。

     丙说，到这里基本可以判断出断齿的原因是瞬间过载了；图3-2的断口非常整齐，应是一次性折断，无疲劳断裂的迹象；整个故障的事件可以还原出来：由于瞬时负载加大，造成这个齿先断，产生强烈冲击振动，从而发生连锁反应，不断出现磨损和局部材料的折断；由于小齿轮的受力频率高于大齿轮，所以最后的结果是小齿轮被剃光，大齿轮相对保持完整。

    丁说，到这里可以盖棺定论了，由于设计、工艺或材料的某一环节出现问题，使大齿轮的弯曲强度不足，造成轮齿在过载瞬间被折断；而由于小齿轮的强度不足，发生连锁反应，最终导致小齿轮的轮齿被全部磨损，剃为光轴；到这里，解决的方向就出来了，即将材料拿去做检测，分析是哪个环节出现问题。

     根据意见，提问者做了金相分析，并提供了照片，对此丁说，检测的结果验证了之前的判断，材料和热处理工艺都出现了问题：

    1.材料的问题：原本要求大小齿轮的材料均为20CrNiMoA，实际小齿轮的成分相当于20CrNiMo，而大齿轮则相当于30CrMnTi，而且在金属组织发现大量非金属夹杂物，说明材料等级比较低，如图3-3。

    2.热处理的问题：如图3-4可以看出，材料芯部有大量铁素体，该组织大大降低了轮齿的机械强度，导致小齿轮的芯部硬度仅为22~26.5HRC，离图纸要求差了10个HRC，造成小齿轮的轮齿被全部剃掉。而如图3-5可以看出在渗碳过程中，加热温度过高，使得表面渗碳层的碳浓度太高，形成了角块状及网状碳化物组织；而随后的淬火加热过程温度过低，没有将其消除，造成渗碳层表面脆性增加，齿轮的使用寿命降低。

    丙说，最终检测结果表明，首先是材料不达标，其次是热处理工艺出现问题，导致没有达到强化齿轮的效果。层层弱化设计意图的结果导致了齿轮的许用弯曲强度很低，最后在瞬间的负载下轮齿被折断。

3.结论

    虽然在首次分析的时候就已经命中目标，但想要真正证明其正确性，必须经过实际的检测。问题分析就是这样，先根据实际情况提出一个大概的方向，然后推理出比较接近事实的结论，在理论分析的指导下有目的地进行针对性的检测，最后得出确切的结论。虽然这个例子的结果是材料和热处理出现的问题，但现实中也常有因为设计的时候计算失误，造成严重后果的事情。所以做机械设计一定要做校核，这不仅仅是一种职业义务，更是职业道德。