齿轮传动轴断齿原因分析

记录号：JS-AL-转动设备（轴承和齿轮）-038

齿轮传动轴断齿原因分析

摘要：齿轮传动轴在使用过程中发现传动轴有3个齿断裂。本文对齿轮传动轴断口的宏微观特征进行了观察与分析，并对材料的金相组织、渗层深度及心部硬度进行了检测分析，结果表明，传动轴齿的断裂性质为弯曲疲劳断裂，径向窜动量较大是此次断裂的直接原因，传动轴的齿面渗氮层的硬度和深度不符合图纸要求是此次传动轴齿断裂的影响因素。

关键词：齿轮传动轴；径向窜动；材质；弯曲疲劳断裂 材料种类/牌号：合金钢/38CrMoAlA 概述

齿轮传动轴在使用过程中发现传动轴有3个齿断裂。 齿轮传动轴的材料为38CrMoAlA 结构钢，热处理工艺为调质处理，要求硬度为32HRC~36HRC ；机加后表面离子渗氮，要求：氮化层深度200μm~300μm ，表面硬度 ≥750HV ，心部硬度不降低，仍保持原始调质处理后的硬度。 本文对齿轮传动轴断口的宏微观特征进行了观察与分析，并对材料的金相组织、渗层深度及心部硬度进行了检测分析，在此基础上，确定了齿轮传动轴断裂性质，并对其产生原因进行了深入分析。 测试过程与结果 断口宏微观观察 将传动轴的3个断齿分别编号为断口A 、断口B 和断口C ，如图1所示，将其超声波清洗后，放入扫描下电镜下对断口特征进行观察分析。

图1 传动轴外观形貌 断口A 的低倍形貌见图2，从图2中可以大致把断口分为3个区域，整个断口的磨损较严重，但在中间部分可以观察到疲劳条带特征，见图3，在中间位置靠近两侧的位置可发现有韧窝特征，见图4。在断口的两侧磨损较严重，但都可以观察到准解理特征，见图5

。在靠近断口边缘的啮合区域可以观察中国应急分网

到多条裂纹，见图6。通过对断口的观察可知，该断口为两侧啮合区起源，然后在工作应力下疲劳扩展，直至断裂。

图2 断口A 齿的低倍形貌 图3 断口A 中间位置的疲劳条带形貌 图4断口A 中间位置的韧窝形貌 图5 断口A 边缘处形貌特征

图6 断口A 边缘处靠近啮合区域的低倍形貌 断口B 和断口C 的微观形貌与断口A 极为相似也是从两侧的啮合区起源，然后疲劳扩展直至断裂。，断口磨损比较严重。在中间位置可以观察到疲劳条带特征。在中间靠近边缘处可见韧窝特征。在断口的边缘处可见准解理特征。啮合区域可见有较长的裂纹，其长度略小于啮合区域的长度。 在断口相邻的齿的齿顶处也清晰地可见剥落现象，如果继续工作，这就是后期断裂的接触疲劳源，中

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其形貌分别见图7。在相邻齿的啮合区域表面损伤较重，可观察到轴向上损伤和表面裂纹，见图8。

图7 与断口相邻齿的疲劳剥落形貌 图8与断口相邻齿的表面损伤形貌 金相组织检查 在传动轴的径向方向取样，用4%的HNO3酒精腐蚀剂腐蚀后观察金相组织，其传动轴心部组织为回火索氏体，传动轴的金相组织见图9。在啮合处表面几乎没有明显渗氮层的组织，未观察到明显的氮化物，见图10。传动轴的金相组织均未见过热、过烧等组织缺陷，但齿的啮合区表面的渗层深度明显较小。 图9 传动轴心部的金相组织 图10 传动轴齿啮合处的渗层的组织 渗层深度及硬度测试 通过显微硬度仪分别对传动轴的齿的啮合区进行了硬度测试，并根据GB11354－2005对其渗层深度进行了测定。从齿的啮合区外表面沿直线向齿内部进行硬度测量，最后用差值法测量渗层深度，其结果见表1。

表1 传动轴显微硬度测试结果 （HV0.3） 测试点 1 2 3 测试点距表面距离 0.10mm 0.15mm 0.20mm 渗氮层 深度 第一个齿HV0.3 749 453 379 190μm 第二个齿HV0.3 715 470 398 180μm 传动轴基体

第三个齿HV0.3 690 458 382 180μm 359 358 356 中

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由表1可知，共对两个齿进行了检测，齿的心部硬度平均值为357 HV0.3，三个齿的渗层深度分别为190μm 、190μm 、190μm ，均不符合图纸要求（氮化层深度200μm~300μm ）。

讨论

传动轴齿的断裂性质为弯曲疲劳断裂。由以上的试验结果可知，基体的金相组织未见异常。每个齿的渗层深度不均，但均不符合图纸要求，有个别的齿和齿根的位置基本上就没有渗层。

通过对断口的观察分析可知，由于整个断口磨损比较严重，但在断口中间位置的疲劳条带的方向还有中间位置的韧窝可知，断口是从齿的啮合区两侧起源，然后向中间位置疲劳扩展，最后在中间部位瞬断。在相邻齿的啮合区域的表面裂纹和表面损伤形貌也可以推断出是从两侧啮合区起源。

通过对啮合区的观察分析可知，传动轴的径向窜动量较大，在高速运转的情况下，齿的径向窜动导致啮合接触区的面积不断变化，使齿的接触应力呈周期性变化，而且径向窜动还会导致接触区面积减小，使接触应力增大，由于该传动轴的渗层深度较浅，不符合图纸要求，较大的接触应力使表面易于萌生裂纹，形成疲劳源并在工作应力作用下发生疲劳扩展，直至断裂。 综上所述，传动轴的径向窜动量较大是此次断裂的直接原因。传动轴的齿表面的渗氮层的硬度和深度不符合图纸要求是传动轴断齿的又一影响因素。 结论

（1） 传动轴齿的断裂性质为弯曲疲劳断裂；

（2） 传动轴的径向窜动量较大是此次断裂的直接原因；

（3） 传动轴的齿面渗氮层的硬度和深度不符合图纸要求是此次传动轴齿断裂的影响因素。 主要分析人员及单位

分析负责人：白明远 工程师 中国航空工业失效分析中心

审核人： 刘新灵 高级工程师 中国航空工业失效分析中心

资料整理人：李 莹 中国航空工业失效分析中心

校核人： 刘新灵 中国航空工业失效分析中心

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