某燃滑油泵片齿轮断齿故障研究

摘要：某燃滑油泵配套发动机进行寿命考核试验时，发生了片齿轮断齿故障。本文根据故障现象及产品的结构和工作特点，采用能谱及晶相组织分析，对片齿轮断齿的原因进行了分析。结果表明：片齿轮断齿的原因为齿根圆角偏小、渗层偏薄，使得应力过于集中，抗疲劳性能减弱，最终导致的疲劳断裂。由此可知，齿轮齿根圆角大小及齿根圆角处的渗层深度对齿轮可靠性有较大影响，对齿轮齿根圆角大小及齿根圆角处的渗层深度的设计有一定的指导意义。

关键词：片齿轮；断齿；应力集中；疲劳

引言

某燃滑油泵配套某型涡喷发动机进行寿命考核试验时突然熄火，分解检查发现发动机传动轴上的齿轮与燃滑油泵的片齿轮均有不同程度的断齿现象，本文对燃滑油泵中片齿轮断齿故障进行了分析研究，并给出了故障原因和改进措施。

1 故障分析

1.1 工作原理

某燃滑油泵主要由片齿轮、油泵组件等组成。片齿轮与发动机传动轴上齿轮啮合，用来给油泵组件传递转速。油泵组件包括燃油泵和滑油泵两部分，片齿轮与主动轮轴为扁连接，产品工作时，发动机上传动轴将主轴扭矩传递到燃滑油泵的片齿轮上，片齿轮带动燃油泵，继而带动滑油泵旋转，以此达到给发动机燃、滑油系统供油的目的。

1.2 分解检查情况

对燃滑油泵进行分解检查，发现片齿轮沿齿根部位掉落4个齿，见图1。泵腔存在正常磨损痕迹，其余各零件无异常。

1.3 故障排查、定位

根据故障现象，分析发生断齿的原因应为过载或疲劳断裂。对相关零组件的原材料、热处理、表面处理进行理化分析，对相关尺寸及形位公差进行计量，发现齿根圆角处渗层深度为（0.15～0.2）mm，小于设计值（0.2～0.45）mm。齿根圆角为R0.1，小于设计值R0.38。确定片齿轮断齿的原因为片齿轮齿根圆角处渗层深度、齿根圆角尺寸不合格。

2 原因分析

2.1 机理分析

片齿轮工作时最大的弯曲应力在齿根处，所以齿根圆角成为齿轮裂纹起源的薄弱环节[1]。齿轮在转动过程中齿根承受的是交变的弯曲应力，因而较易产生疲劳裂纹。因此，设计时齿根圆角不宜过小，造成应力过于集中，产生疲劳断裂。另外，片齿轮作为传动齿轮，是机械传动中的关键构件，其工作环境恶劣，并要求表面具有耐磨和抗接触疲劳、芯部具有一定韧性和抗弯曲疲劳等综合力学性能[2]。故设计时需对轮齿进行热处理来提高齿轮的耐磨性、疲劳强度和刚度，而渗层深度过小，会降低其耐磨性和疲劳强度，尤其有较大应力集中的齿根圆角处。

本文中的故障片齿轮，需进行碳氮共渗，在电子显微镜下对齿根圆角处渗层进行微观形貌观察，渗层分布均匀，但齿根圆角处渗层深度较其它部位偏小。片齿轮实际加工中先后经过滚齿和磨齿工序，滚齿刀具圆角尺寸为R0.5，磨齿砂轮圆角尺寸为R0.1，导致齿根圆角处磨削量偏大，齿根圆角处渗层深度偏小，不满足图纸要求，如图2。同时，由于磨齿砂轮圆角尺寸为R0.1，导致齿根圆角不满足设计要求R0.38。

2.2 仿真分析

为进一步说明故障原因，分别对齿根圆角为R0.1及R0.38的齿进行强度仿真。当圆角为R0.1时应力分布带较窄，集中在齿根，见图3。而圆角为R0.38时，应力分布带较宽，应力则会较大范围的分散在齿面及齿根上。

综上所述，由于齿根圆角偏小，使轮齿承载能力减弱；又齿根圆角渗层深度不够，导致抗疲劳性能减弱。片齿轮在长时间交变载荷作用下齿根部位产生疲劳裂纹，在随后的周期性脉动载荷下，裂纹逐渐扩展。若弯曲强度较小、抗疲劳强度较弱，则会加剧该过程，最终导致断齿。

3 改进措施

通过上述分析，造成齿根圆角偏小及齿根处渗层深度不合格的原因为滚齿及磨齿工序加工的圆角尺寸不匹配，且磨齿刀具圆角不合符要求。因此，在滚齿及磨齿工序中协调滚齿和磨齿倒圆尺寸，最终保证渗层深度及齿根圆角满足图纸要求。

4 结论

该型燃滑油泵片齿轮断齿的主要原因为片齿轮加工过程中，滚齿及磨齿所用刀具圆角不匹配，导致齿根圆角偏小、渗层变薄，使应力过于集中，抗疲劳性能减弱，最终导致断齿。改进后的片齿轮配装燃滑油泵后，随发动机再次进行了寿命考核试验，顺利通过考核，满足了发动机的使用要求。

参考文献

[1] 黄春云，汤浩，刘依依，等.传动齿轮失效分析[J].金属加工（热加工），2024（02）.

[2] 张长英.传动齿轮在碳氮共渗和淬火中的畸变控制[J].热加工工艺，2011（04）.