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第十一章齿轮传动
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官方公共微信[技术篇]811#机头部伞齿轮剥落磨损故障的分析
811#机头部伞齿轮剥落磨损故障的分析
（原文1962年作为中国人民解放军总字九三0部队第九研究所技术员向九所呈请的论文，并得到九所齐康庭、吴需成审查）
国防部六院中国人民解放军总字九三0部队第九研究所技术员：江国镇
喷气式发动机传动装置中的齿轮，由于工作线速度及齿面单位载荷越来越高，同时工作时又长期处在交变载荷下，因而在大多数情况下，齿轮过早损坏，不能使用的原因是：齿轮的工作表面剧烈磨损和金属表层剥落。进展性的麻坑剥落是影响齿轮工作寿命和发动机安全工作严重故障。因而如何防止航空齿轮工作表面的过早磨损和点蚀剥落是一项极为重要的工作。
811#机（）前机厘头部装置中伞齿轮，由于工作条件恶劣，长期处在高速重负状态下进行工作，所以齿轮在发动机试车和使用中，经常产生剥落和磨损，曾一度成为影响发动机寿命安全的重大质量故障。几年来为排除这个故障，也是齿轮生产技术上最为突出的关键。经过生产实践不断摸索和实验研究，目前伞齿轮剥落故障已基本排除，并能完全承受发动机工作全寿命期的试车考验。由于这个故障对于高速重负的齿轮，具有一定的普遍性和继承性，所以通过头部伞齿轮剥落及磨损故障的性质和原因分析以及相应解决途径探讨，将会更有利于我们提高伞齿轮制造质量和防止伞齿轮在工作时的过早损坏。
二、头部伞齿轮作用及结构概述
头部伞齿轮位于发动机前机厘头部装置中（如图二所示），主动伞齿轮和头部传动轴组合在一起，其中一端用套齿和发动机压气机轴连接，齿合的被动伞齿轮，通过套齿的细长传动杆，带动发动机上方位置附料机厘中的二速减速器，各种燃油、液压、滑油系统油泵以及离心活门，转速表传感器等附件。所以头部装置中的伞齿轮是确保发动机各系统正常及可靠工作的重要零件。伞齿轮工作条件较为恶劣，工作线速度为38.5米/秒-47.3米/秒，齿轮所承受全部负荷，根据十个附件功率计算，约达65∧C，因而齿牙单位载荷很高，齿型面上法向单位接触载荷为86.5kg/cm，齿轮所传递的最大纽距为418kg/cm，由以上可以看出，头部装置中的伞齿轮是在高速重负情况下进行工作，由于工作条件极为恶劣，齿轮将对头部结构装置的变形，齿轮安装制造误差和轴向位移所引起错位的反应敏感性更为强烈。
伞齿轮零件结构形状和齿合参数以及几何尺寸如图表二所示。按照航空齿轮制造公差107MT标准，伞齿轮属于Ⅱ级精度。在制造技术上比以往高速低负的伞齿轮有所不同，其工艺复杂性可以归纳成以下三个方面：
（Ⅰ）伞齿轮。齿合参数中规定了齿型偏差为0.015毫米，同一齿轮内圆周齿距最大差异为0.02的要求，这在以往生产的伞齿轮设计参数中并未规定过。所以齿轮制造要适应这种技术要求和获得更有利于齿轮在高速重负下的工作质量，工艺上将需要采取磨削作为齿型精加工方案。众所周知，伞齿轮齿型的磨削加工，在设备和调整工艺都是比较复杂的，这种技术在我国机械制造部门领域中，也还是一项薄弱的环节和新的工艺。
（Ⅱ）伞齿轮共轨齿形的精度，最后靠正确的着色印痕位置和大小来保证。但它和以往伞齿轮有所不同，按照设计所规定的伞齿轮N&5号着色说明书规定：头部伞齿轮着色印痕长度范围为3.6-13毫米，齿项及齿根作了修缘，故不着色，“C”面均有相应要求。着色印痕位置不允许靠近大端或大小端，或中间不着色的八字形。印痕层在工艺上要求正确可靠，所以着色厚度规定在0.005-0.01范围内。要保证这种高速重负伞齿轮，不受变形和错位的影响，工作时仍保持正确的齿合，那么静态着色印痕在所规定的要求的范围内，它最适宜的位置和长短，是头部伞齿轮加工中很重要的技术问题，这就是说，伞齿轮制造要保证齿轮工作时正确齿合的实际共轨齿形，应该如何加工，如何着色检查，如何用着色精度保证，所以这种工艺技术，显然比一般精度和工作条件的伞齿轮需要更高的水平。
（Ⅲ）头部伞齿轮所用的材料为12&2H4A，它系一种低炭含有线路的高强度合金钢，伞齿轮由于线速度高，单位载荷大，齿面要具有更高的耐性，但是这种材料工艺上特性是，热处理后，它能获得大量不同的渗炭层组织，热处理规范不同，这种组织虽然亦不相同，这就是说，面层的含炭量，硬度，炭化物相的数量以及分布性质亦不相同。众所周知，这些因素将会使齿轮工作寿命有所差异。头部伞齿轮在热处理工艺上，要保证齿轮齿型不过早的磨损及损坏，需获得齿面良好的金相组织和适宜的硬度。显然这种技术亦比较复杂，对于高速重负齿轮需要什么样的化学热处理方法，和金相组织标准，正是这种技术复杂性的标志。
三、头部伞齿轮剥落磨损特征和性质
伞齿轮在发动机试车工作后，经分解检查，有二种故障，一种是齿面不均匀磨损，另一种是齿面产生麻点耗剥落（如图三所示）。其故障特征有如下几点：
（Ⅰ）磨损
（1）齿牙全齿长上磨损不均匀，偏重于齿面大端主动齿轮齿根磨损从动齿顶磨损。一般小端和节园附近磨损轻微或者几乎不磨损。
（2）在同齿轮内同期性地产生隔压磨损，每隔4个牙有规律的循环出现其磨损特征可以分为如下几个方面（图示为主动齿牙面上磨损情况）
（a）四个齿牙中，第一、二和第四个牙齿根磨损严重，齿顶磨损甚微，其它齿牙磨损均匀但大端也较偏重。
（b）四个齿牙中，第三和第四个牙产生磨损而其中第三个齿牙仅仅磨去，发蓝层几乎没有跑合而第四个牙同样是节园下齿根部分磨损严重而节园上方齿顶部分轻微，其它齿牙较为均匀，但大端亦略偏重。
（c）四个齿牙中最后一个齿牙齿根严重磨损，齿顶部分轻微，其它三个齿压磨损均匀，但同样大端偏重。
（Ⅱ）剥落
（1）齿轮剥落形状为细小的麻点，严重的则相互连通形成剥坑。剥落的区域是在节线附近，即距节线下方0.2-0.4毫米齿根面上。
（2）齿牙剥落均发生在大端。齿面附近，剥坑连续区域长度是在1/3-1/2齿长范围内，趋向是自大端渐向齿长和齿根方向发展。
（3）剥落在一个齿轮内亦是间断性的，有的齿牙几乎没有，但却具有明显的压溃印痕，有剥落的齿牙亦只是一些为数不多的微小麻点，较严重的剥坑，一般小剥坑为0.045&0.45mm，而最大横向尺寸可达1-2.5毫米，一般都是出现在3-4齿牙上。
（4）剥落都是发生在主要工作表面上，非主要工作表面基本没有，同时一般主动伞齿轮齿面剥落均较被动伞齿轮重，麻点和剥坑数量亦较多。
以上故障从发动机工作情况来看一般是这样，当工厂试车和检验试车（一般是10小时以内）后，检查齿牙发现磨损不均匀，同时一个齿轮中有个别1-2牙或更多一些齿牙，有为数不多的点状麻点。隔牙磨损大都亦在此期间发现，但是一批齿轮中，这种规律性磨损数量极少，而且一批齿轮中又大量出现。当发动机进行全寿命试车（100小时）期间，分解检查齿轮将会发现齿牙麻点数量逐渐增多，严重的便联成小块剥坑，此时磨损印痕更为加剧。
根据以上剥落的磨损故障特征来看，其性质可以分析归纳成如下几点：
（1）伞齿轮这种剥落过程，是属于一种进展性疲劳点蚀剥落，虽然齿轮工作表面较硬，但是随着齿轮工作时间的增长，麻点的数目是逐渐增多，并联成剥坑，加速扩延，所以最后发展有危及齿轮寿命及安全可能性。
（2）齿轮剥落区域是处于齿面材料作用，接触应力耐久限最小值的地方，（离节线0.2-0.4相当于齿面单位滑动速度22%处），同时负荷又集中在大端，因而在这个局部地区内，将会加速促进疲劳剥落的进展，使齿轮过早损坏。所以这种剥落将具有更大危害性。
（3）齿轮强烈和不均匀的磨损，不仅是一种沿齿长接触的不正常磨损。同时由于剥落的进展，裸露的金属粒又会伴随着磨料磨损的形成，因磨损回破坏齿轮正确的齿型（如图所示），造成了齿轮工作不平稳，产生冲击及动力负荷。从而反过来它又加剧了齿面的磨损，促进了剥落的进展。
（4）由于接触不良大端磨损较重，这和负荷集中在大端所造成的剥落，是同时存在而且又是相互的关系和相互促进的。但齿牙规律性的磨损和齿根面上的较重磨损则是由于，齿合传动轴特性及齿合精度不良，同工作的偶然性必然的振驱动的频率相偶合的结果。（如齿轮制造误差同工作传动装置的各种振动的共振）或者说直接由于齿距误差而造成。
（5）剥落的磨损毕竟是二种不同类型的故障。一般剥落处必然伴随着较为严重的磨损，但有磨损并不一定都会产生剥落。对于头部伞齿轮来说，剥落的故障是主要的。
四、头部伞齿轮剥落磨损的原因分析
（Ⅰ）剥落
头部伞齿轮齿面剥落是由于齿牙工作表面的接触疲劳所引起的，即齿牙的表面由于受着很高的支点接触应力不断应变硬化而破裂形成细微麻点，然后扩大使金属裸露产生块状的剥坑。
齿牙表面疲劳之产生，主要是由于齿轮工作，齿合接触不良，如因错位，齿压或装置的变形，使齿轮工作时不是沿全齿长接触，而是偏重于大端，使负荷局部集中，由于该处高度的接触应力超过了材料允许接触应力，所以齿面便产生了疲劳。另外由于齿轮使用材料疲劳强度差，齿牙工作表面光度不高，硬度低，渗炭组织不良亦是造成或加速齿面过早疲劳的重要因素。现分别叙述如下：
（1）共轨齿轮。齿合接触不良负荷局部集中于齿牙大端
齿轮正确的齿合是保证齿轮正常工作的前提。但说发动机分解检查，头部伞齿轮工作实际接触印痕却都在齿牙大端区域，小端几乎几乎没有参与工作。这就是说齿轮实际工作时不是全齿长均匀地承受负荷，而是局部集中于1/2-2/3齿长上，从而使得齿型面上单位接触载荷急剧增加。
正如前述，头部伞齿轮不仅线速度高，同时单位载荷特别大，如果负荷又局部集中，则齿面极易疲劳，为便于分析问题，现根据发动机十个附件全部功率对齿轮所承受负荷计算如下：
发动机工作状态
加力工作状态
最大工作状态
额定工作状态
其它工作状态
11150 oδ/μμh
齿轮工作时间比例
齿轮承受总功率
齿轮传递扭距
①齿型面上法向单位接触载荷计算：
PH=PC/COSα&&
PC为单位齿宽与静周向力& 公斤/厘米
PC=P0/B&&&&&&&&
P0为作用在齿轮上园周力
P0=2Mhan/Dcp&&&
PH=2Mhan/Dcp·B·COSα=2Mhan/MZ·B·COS20=62kg/cm
②齿轮剪切应力计算：
按照ГepuβeΛgeB公式最大挤压应力
σchmax=0.418
由于考虑齿轮工作时滑动摩擦的影响，所以航空齿轮按彼德罗维奇建议，一般都是按最大接触煎应力来进行计算，即￡max=0.34σchmax=0.145
公斤/厘米2
头部伞齿轮剪切接触应力计算归纳如下表所示：
系数K K=K1K2K3K4
剪切应力&#6
许用剪切应力[￡]=120Rc
根据现有航空发动机齿轮传动的介绍，齿合极点的接触煎应力一般为kГ/cm2，所以头部齿轮验算亦是基本符合这个要求，但是这种应力呈椭圆规律分布，在接触面中线处为最大，然后自节线向外迅速减弱。头部齿轮剥落区域即是在煎切应力值最小的地方。由计算来看，煎切接触应力基本接近于许用简切接触应力。
③轮齿弯曲应力的计算（当T=600小时）
σn=(PHKμ/mcpnY)
σ0=1.5σ-1
当齿一面工作时安全系数n=σ0/σnKσ
许用弯曲应力σu=σ0/nkB
3330 kГ/cm2
7870 kГ/cm2
如果共轨齿轮不能正确齿合，全齿长只有1/2-2/3齿参加工作，则齿牙大端负荷将局部集中。此时大端型面上单位接触载荷为PH=2Mhan/MZ(0.5-0.6b)βcosα=80-92kg/cm
大端齿牙型面剪切应力增加值如下表所示：
原来煎切应力
增加后煎切应力
煎切应力增长比例
15.1%-24.2%
17.3%-25.6%
当单位接触载荷增加至29%-48.5%时，则弯曲应力增至：
σn= PHKμ/mcpnY= kГ/cm2
安全系数降至：n=σ0/σnKσ=1.33-1.43
根据以上分析计算可以看出：当齿轮齿合接触不良，负荷局部集中在大端时，作用在齿面上的剪切应力显著提高，而超过了材料许用接触应力。齿面剪切应力的增加正是齿轮产生疲劳剥落的原因。但实际上齿轮剪切接触应力还要更大，因为头部伞齿轮工作条件恶劣，齿轮由于制造误差（齿距齿型等）所引起的附加动力负荷将会使齿轮接触应力更大的增长。因而齿轮工作时，齿长均匀承受负荷是非常重要的，因此必须保证共轨齿形正确的齿合，决不允许偏重于一端。
实践证明，头部伞齿轮产生齿合接触不良，偏重于大端的主要原因是：
（ⅰ）齿轮在工作时产生错位，共轨齿形齿合时偏离正确理论位置；
直齿伞齿轮在结构上一个最大缺点是对错位的敏感性较强，尤其是头部伞齿轮因传递载荷特别大，转速又高，加上头部壳体装置刚性又较小，齿轮制造及安装亦不可能没有误差，因而齿轮工作时将产生错位，使共轨齿形偏离其正确的理论位置。所以此时要获得理论上完全正确的线接触，实际上是很困难的。错位愈大则齿侧表面离开它应有位置亦愈严重，实践和理论均可证明，错位正是齿轮接触偏于大端，产生齿合不良的原因之一。
（ⅱ）共轨齿形接触区的形状、大小极其分布位置是伞齿轮齿合良好与否的基本标志。正确的齿合是其接触印痕沿齿长及齿形方向占有预定的部分，同时应有相适应的大小和长度。头部伞齿轮按照N号5说明书要求接触区的位置、形状、大小如图所示，着色印痕长度正确为0.3b,允许范围为(0.2-0.7)b。
由于齿轮是在高速重负状态下进行工作，形（重形量约为：δ=PH/C，C为齿的单位刚度），以及其它装置的变形将会使齿牙接触区的位置发生变化，速度愈高，负荷愈大，则变化的敏感性愈大，为了获得齿轮在受负后具有预定的接触区，曾进行了这样的试验：（如下表所示）
齿轮工作状况
着色区位置
试验前齿轮接触区
725型研么机负荷试验情况
（1）手转重加齿合料
（2）加负5公斤
小端趋向大端
（3）加负8公斤
小端趋向大端
(4）开始运转（750 oδ/分）
(5)运转手柄略加负
向大端移动
（6）全负荷运转
由表中数据可以看出，齿轮工作受负后，接触印痕变化的趋向是由小端逐渐向大端方向移动。由于齿轮加工最后着色检验是处于非工作状态，因而着色区必须尽量靠近小端，头部伞齿轮因速度高负荷大，如果非工作状态着色的印痕过长，则受负后，由于齿牙弹性变形，齿锥角发生变化，则接触印痕变化恰好位于齿之大端，从而使齿轮齿合不良，造成负荷局部集中使齿面过早疲劳。实践证明，产生剥落的齿轮一般着色印痕均较长，从试车齿轮损坏实例即可看出这个规律：（单从着色印痕长度来看）
齿轮最后加工方法
齿合着色印痕长度
大端磨损，节线附近有麻点
大端磨损，节线附近有麻点
大端磨损，节圆附近有麻点和剥坑
大端磨损，节圆附近有麻点和剥坑
磨损均匀，少数齿压有轻微麻点
磨损均匀，有麻点剥坑
所以齿轮齿合着色印痕过长是产出大端接触原因之一，从苏制备料和工作试验的零料对比亦可发现，齿合着色印痕几乎亦都是趋向于下限，一般长度为3.5-5mm。符合上述规律。
应该指出掌握齿合接触区虽然是判断齿轮齿合各项因素和共轨齿形质量可靠的方法，但是着色印痕过短往往又较难完全控制这些质量因素，所以着色印痕长度力求短，必须是在齿合精度（齿距齿向）、共轨齿型精度、齿合安装精度的质量基础上才能可靠。否则即使着色印痕很短，但着色偏歪，带尾巴或全部齿牙着色不均匀等癖病便无法发现。这同样不能确保齿轮正确的齿合。实践中即有此例如103094号机的试车，齿轮虽然着色印痕长度亦为3-3.5mm，但是齿轮工作后同样产生剥落，分解检查发现，是由于齿合精度及齿型误差过大，从而造成齿合着色不均匀，且有点状尾巴。完配时，转动发滞不灵活。
如图所示，主被动伞齿轮，正确齿合时，应为全齿长接触，我们自P点作垂直线O1P及O2P此即为移动齿轮辅助圆锥的母线。即可用此辅助表面上的齿形来代替球面上的齿形而画出大端齿廓，把以O1O2为中心的圆柱齿轮的节圆半径。
O1P=Ltg&#.225&tg38°39&30&P=41.557mm
O2P=Ltg&#.225&tg51°20&30&P=64.05mm
P点大端齿廓分度圆齿厚，S大=msoЛ/2=6.28
当主动齿轮工作时，产生州轴向位移，设移距K=PP&=0.9mm，则主动齿轮P点处大端齿廓移至P&处，而相应齿合的齿廓为与O1O2中心连线相交的M&点，它相应的齿廓节圆半径为：O1M&=（L-P&M&）tg∮1=(L-K&COS∮1)tg&#.225-0.9&cos38°39&30&P)tg38°39&30&P=40.595
五、排除剥落磨损故障的途径及措施
排除头部伞齿轮剥落及磨损故障的主要措施归纳起来有如下几个方面：
1、伞齿轮精加工由精钜改为磨剥工艺
2、扩大间隙来检查接触印痕，保证共扼齿形正确齿合。
3、减小齿合检查着色长度和增大从动齿轮齿顶修缘值。
4、提高齿面硬度和碳化物浓度，获得高接触强度金相组织
以上是排除头部伞齿轮剥落磨损故障中几个主要措施，除止之外，还有很多有利于提高齿轮工作质量的因素，如不用代料，严格贯彻工艺规程，头部组立时温度由180℃降至150℃左右（防止齿面硬度降低），齿轮加工后分配及工厂试车后均作着色印痕长度位置区域，以及磨损印痕的详细记录，齿轮热处理固定渗碳另料批数量，严格检查每批试料的金相组织和硬度的质量等，所以头部伞齿轮剥落及磨损故障的排除是上述各项因素及重大措施的综合结果。
1、头部伞齿轮剥落的主要原因是由于齿合接触不良，局部负荷集中所引起的，实际接触应力大大超过大端区域齿面材料的许用接触应力所造成，齿面金相组织不良和表面质量差、硬度低是齿面许用接触应力降低，并过早产生损伤的重要因素。
2、排除头部伞齿轮剥落及磨损的措施应该是：
（1）齿型最后精加工必须采用磨剥工艺，齿型表面光磨应提高-W8左右
（2）齿轮配对。齿合着色印痕应靠近小端长度已上2.5-4为宜，主动齿顶C面为0，从动齿轮为1.4左右。
（3）共轭齿型必须扩大间隙至0.6-0.8进行齿合着色检查，保证全长着色，肖端不脱开。
（4）齿轮表面金相组织应该是均匀分布弥散的粒状碳化物和细针状马氏体的过共晶组织，内部组织为纸碳马氏体和肥粒体组织。
齿轮表面硬度HRC≥60，表面层磨剥后必须具有碳化物。
（5）伞齿轮共扼齿型及齿合精度是以综合着色法来保证，因而必须制造正确的伞齿轮标准料。
3、从头部伞齿轮剥落故障可以看出，高速高负伞齿轮使用和加工中的存在的几个主要问题：
（1）直齿伞齿轮对错位敏感性及制造误差的影响较为强烈，因而对于速度更高，负荷更大的伞齿轮需采用预定偏差的修变齿形。
（2）伞齿轮必须采用高精度的磨剥工艺方法进行加工，利用平顶产形齿轮原理的机床所加出来的齿型误差最大，平面产形齿轮机床所加工出来的齿型误差较小，因而生产中用526型钜齿机改造为磨齿设备来加工高精度伞齿轮是不适宜的。
（3）伞齿轮齿合接触区的位置、形状及大小是评定齿轮齿合质量好坏的标志，高速高负伞齿轮必须利用模拟试验器来专门制订着色长度及C面值的大小。增大齿合间隙，检查着色印痕和试车后要求一定的磨损，印痕提高是高负齿轮十分重要的工艺措施，而今后必须加强高速齿轮试验器的试验及研究。
（4）高精度伞齿轮标准料的制造技术条件及技术复杂程度将比另料要求更高。目前工艺上这种专门技术也相当薄弱，因而要加强研究。
（5）正确的热处理金相组织标准是保证承受高应力齿轮工作质量及寿命很重要的前提。相应的热处理工艺方法的研究应该进行专门的研究。
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20钢和45钢两种齿轮，要求表面硬度达到55HRC，应该用哪种热处理方法，且他们热处理过后组织和力学性能的差
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回火索氏体性能差异；
45钢热处理后表面的硬度；表面组织；承载能力高于20钢20钢、耐磨性低于20钢：调质处理+表面淬火；表面组织：回火马氏体
心部组织：20钢热处理后表面的硬度；承载能力低于45钢、耐磨性高于45钢：渗碳+淬火+低温回火：铁素体+回火马氏体45钢：渗碳体+回火马氏体
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谢谢了。。
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