某型航空用中間減速器在廠內(nèi)大功率試車后，分解檢查發(fā)現(xiàn)中減輸入齒輪和中減輸出齒輪存在擦傷，本文針對齒輪擦傷問題的原因，主要從理化檢測、齒輪形貌、強(qiáng)度計(jì)算等方面開展了詳細(xì)分析和研究，準(zhǔn)確進(jìn)行了故障定位，并通過后續(xù)試驗(yàn)驗(yàn)證了采取的優(yōu)化設(shè)計(jì)和工藝的改進(jìn)措施可行且有效。
1、結(jié)構(gòu)功能說明
中間減速器是直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的重要部件，由輸入齒輪組件、主機(jī)匣組件、和輸出齒輪組件組成(如圖 1 所示)，主要作用是根據(jù)直升機(jī)的需要，在為尾水平軸和尾斜軸之間傳遞功率并按要求進(jìn)行減速和換向，具有設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊、承載能力大、功重比高的特點(diǎn)。某直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中間減速器承載最大功率達(dá) 650kW，為減小尺寸和重量，并保證齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)性和承載能力，采用了一級滿載嚙合的螺旋錐齒輪，輸入齒輪、輸出齒輪是一對軸交角為 122.308°的格里森齒制螺旋錐齒輪，齒輪齒頂圓角 R0.3～0.5，材料均為 9310 鋼，齒輪齒面、齒槽底面及規(guī)定表面滲碳，深度 1.30～1.50，滲碳表面硬度 HRA81～83，非滲碳區(qū)硬度 HRC33～41，磨齒后齒輪齒面、齒根及幅板面進(jìn)行噴丸處理，噴丸強(qiáng)度為 0.007～0.009A(英寸)，覆蓋率 200%。
2、故障現(xiàn)象
大功率試驗(yàn)主要是通過試驗(yàn)器加載考核該中間減速器在最大功率 650kW 下齒輪是否嚙合正常，試驗(yàn)功率 650kW、時(shí)間 10min，試驗(yàn)后分解檢查，要求各零件外觀應(yīng)無異常磨損現(xiàn)象。該中間減速器在完成大功率試驗(yàn)后分解檢查，發(fā)現(xiàn)輸入齒輪、輸出齒輪的各齒工作面均存在不同程度擦傷問題，輸入齒輪齒面擦傷位于齒根處，輸出齒輪齒面擦傷位于靠齒頂處。擦傷形貌為：輸入齒輪齒面上 除了接觸印痕之外，在接觸印痕下方有一條亮帶;輸出齒輪凸面靠近齒頂位置磨亮。中減輸入、輸出齒輪擦傷區(qū)域長約 5mm，寬約 2mm，深約 0.01mm，中減輸出齒輪工作面(凸面)齒頂印痕已超出齒頂，中減輸入齒輪工作面(凹面)齒頂印痕未超出齒頂。擦傷形貌(如圖 2 所示)。
3、故障分析及定位
該中間減速器大功率試驗(yàn)后，除輸入齒輪、輸出齒輪齒面擦傷外，其余零件外觀質(zhì)量均無異常，測量齒輪齒型、齒向、齒頂圓角等相關(guān)尺寸均符合設(shè)計(jì)圖樣要求。根據(jù)齒輪工作原理、擦傷出現(xiàn)部位和尺寸測量結(jié)合，初步分析認(rèn)為擦傷問題是齒輪工作過程輸入齒輪齒底與輸出齒輪齒頂?shù)箞A干涉所致，為準(zhǔn)確定位原因，補(bǔ)充開展檢查和分析工作。
理化檢測分析
對故障件中減輸入齒輪進(jìn)行理化分析，理化檢測結(jié)果合格，具體情況(見表 1、表 2)。
對故障件中減輸出齒輪進(jìn)行理化分析，理化檢測結(jié)果合格(見表 3、表 4)。
齒頂形貌分析
復(fù)測中減輸出齒輪齒頂圓角 (工作面)為 R0.319～ 0.465，符合設(shè)計(jì) R0.3～0.5 要求。為更好的描述齒頂圓角轉(zhuǎn)接情況，引入齒頂圓角 a、b 值作為輔助判斷齒頂圓角與齒面、齒頂轉(zhuǎn)接良好情況。齒頂圓角 a、b 值概念：齒輪齒頂與齒面轉(zhuǎn)接通過圓角進(jìn)行過渡，轉(zhuǎn)接圓角與齒頂、齒面會分別形成一切點(diǎn)(把圓角與齒頂形成的切點(diǎn)定義為 A 點(diǎn)，與齒面形成的切點(diǎn)定義為 B 點(diǎn))，兩切點(diǎn)間垂直和水平方向的距離分別定義為 a 值、b 值(如圖 3 所示)。因圓角設(shè)計(jì)存在公差，當(dāng)中減輸出齒輪工作面圓角 R 為下差 0.3 及上差 0.5 時(shí)，通過三維軟件 UG 作圖可分別得到R=0.3 及 R=0.5 時(shí)的理論 a 值為 0.165～0.280、b 值為0.285～0.445(如圖 4 所示)。從圓角 a、b 值的產(chǎn)生過程可以得知：圓角 a、b 值為圓角 R 衍生的尺寸，與圓角大小及圓角的空間位置有關(guān)，能用于輔助判斷圓角轉(zhuǎn)接是否做到理論相切參考，當(dāng)圓角轉(zhuǎn)接未做到理論相切時(shí)，會在 A、B 點(diǎn)出現(xiàn)異常高點(diǎn)，給齒面嚙合帶來不利影響。
復(fù)查齒頂圓角形貌，發(fā)現(xiàn)多個(gè)齒頂圓角 a、b 值超差，說明齒頂與齒面轉(zhuǎn)接處未做到理論上的相切，即齒頂圓角與齒面轉(zhuǎn)接未圓滑過渡(見表 5)。
強(qiáng)度計(jì)算分析
對中減錐齒輪副輪齒設(shè)計(jì)強(qiáng)度分析如下：設(shè)計(jì)功率下輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞、最大功率下齒面膠合溫升均低于許用值(見表 6)。
結(jié)合實(shí)際齒面的加載印痕和加工控制參數(shù)計(jì)算齒面接觸應(yīng)力，通過 KIMoS 軟件仿真，中減齒輪副在最大功率 650kW 下齒面接觸應(yīng)力為 1628MPa，中減齒輪副加載分析(見表 7 所示)。雖然齒面理論接觸應(yīng)力仍小于許用值，但已十分接近，并且本型號中減齒面印痕為 “滿齒面設(shè)計(jì)”，考慮到制造、裝配誤差，實(shí)際中減大功率加載試車后中減輸出齒輪印痕超出齒面，中減輸出齒輪齒頂參與嚙合，形成邊緣接觸，應(yīng)力集中加劇，容易引起擦傷。
問題復(fù)現(xiàn)驗(yàn)證
根據(jù)故障分析和故障定位，選用齒頂圓角(工作面)R0.342～0.478，齒頂與齒面轉(zhuǎn)接處未做到理論上的相切的中減輸出齒輪后再次進(jìn)行磨合試車及大功率試車，完成后對中減進(jìn)行分解檢查， 發(fā)現(xiàn)中減輸入齒輪和中減輸出齒輪仍有有輕微擦傷(見圖 5)。擦傷形貌為：輸入齒輪齒面上除了接觸印痕之外，在接觸印痕下方有一條亮帶;輸出齒輪凸面靠近齒頂位置磨亮，故障復(fù)現(xiàn)。
綜合分析認(rèn)為中減為滿足功率提升要求，齒面印痕為 “滿齒面設(shè) 計(jì)”，大功率狀態(tài)下，中減齒輪副在加載條件下機(jī)匣、齒輪軸、軸承及輪齒會產(chǎn)生變形，齒輪副嚙合狀態(tài)與設(shè)計(jì)狀態(tài)存在一定差異，中減輸出齒輪齒頂圓角參與嚙合，齒頂圓角處形成接觸應(yīng)力集中，在中減輸出齒輪齒頂圓角轉(zhuǎn)接未做到理論上的相切(即轉(zhuǎn)接未圓滑過渡)情況下接觸應(yīng)力集中加劇，破壞齒面油膜，使齒面接觸狀況 惡化，最終導(dǎo)致齒面出現(xiàn)擦傷現(xiàn)象。
4、改進(jìn)措施與驗(yàn)證
為保證減速器廠內(nèi)試車及保證減速器交付至外場不出現(xiàn)擦傷現(xiàn)象，制定糾正措施及驗(yàn)證情況如下：
設(shè)計(jì)改進(jìn)
通過分析和查閱資料，中減輸出齒輪齒頂圓角加大有利于緩解齒輪大功率狀態(tài)下齒頂應(yīng)力集中。根據(jù)齒面擦傷形態(tài)及區(qū)域，結(jié)合以往相似型號圓角設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)值，將設(shè)計(jì)圓角由目前的 R0.3～0.5 加大至 R0.4～0.6。
工藝改進(jìn)
中減輸出齒輪擦傷部位均為工作面齒頂中部，為更好的檢查、控制齒頂中部圓角與齒面轉(zhuǎn)接是否在理論切點(diǎn)范圍內(nèi)，加工檢測工藝由目前的“每件檢查對稱 2 顆齒 3 個(gè)截面齒頂圓角(含切點(diǎn)參考 a/b 值)”更改為“每件檢查對稱 4 顆齒 3 個(gè)截面工作面齒頂圓角(含切點(diǎn)參考 a/b值)，檢查若發(fā)現(xiàn)工作面齒頂中部截面圓角切點(diǎn) a、b 值不在參考 a、b 值范圍內(nèi)時(shí)，則采用鉗工局部拋修的方式對該齒輪工作面齒頂圓角與齒面轉(zhuǎn)接處進(jìn)行拋修”。
試驗(yàn)驗(yàn)證
使用貫徹了改進(jìn)措施的齒輪副，實(shí)測所有工作面齒頂圓角，結(jié)果為 R0.403～0.594，齒面轉(zhuǎn)接均在在理論切點(diǎn)范圍內(nèi)，除齒輪副外其余零件原樣復(fù)裝，經(jīng)磨合試車、大功率試車，分解檢查未發(fā)現(xiàn)齒輪擦傷。并且后續(xù) 5 臺套中減大功率試車后分解檢查均未出現(xiàn)齒輪擦傷的情況，證明措施有效。
5、結(jié)束語
通過對某型中間減速器齒輪擦傷問題的原因進(jìn)行分析和排查， 確定是由于輸出齒輪齒頂圓角偏小且與齒面轉(zhuǎn)接未圓滑過渡導(dǎo)致的齒面擦傷，進(jìn)而采取了改進(jìn)措施且驗(yàn)證有效。本次故障的處理對航空螺旋錐齒輪中間減速器齒面擦傷問題的故障處理提供了參考，同時(shí)也可參照本文優(yōu)化相關(guān)設(shè)計(jì)、工藝工作。
參考文獻(xiàn)略.