針對電動重卡螺旋錐齒輪在服役過程中出現(xiàn)的早期打齒失效問題，文章通過宏觀形貌分析、材料分析、微觀分析、應(yīng)力分析、報(bào)文分析等手段，找到了引起失效的主要原因。
該分析認(rèn)為通過優(yōu)化正車與倒車、反拖相互切換及扭矩設(shè)計(jì)策略，并優(yōu)化齒輪的宏觀和微觀修形、嚙合印跡，可降低膠合安全系數(shù)、提高齒輪油抗膠合能力，以適用電動重卡動態(tài)載荷變化和加速/制動的切換工況。
研究結(jié)果為電動重卡傳動系統(tǒng)的可靠性提升提供了一定依據(jù)。
近幾年來，電動重卡市場發(fā)展迅猛，2024年電動重卡銷量達(dá)46.2萬輛，同比增長31.1%，市場滲透率突破17%。
預(yù)計(jì)到2030年，電動重卡年銷量約200萬輛，滲透率將達(dá)50%。
電動重卡因零排放、低噪音等優(yōu)勢成為物流運(yùn)輸領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，其傳動系統(tǒng)中的螺旋錐齒輪承擔(dān)著高扭矩傳遞與動力功能。
然而，電動重卡因扭矩特性與傳統(tǒng)燃油車有差異顯著，其動力系統(tǒng)輸出扭矩大，齒輪需承受更強(qiáng)的瞬時沖擊和持續(xù)高載荷，在頻繁啟停、加速/制動工況切換時齒輪需適應(yīng)動態(tài)載荷變化，對齒輪的耐受力程度逐漸加強(qiáng)。
螺旋錐齒輪在車橋中的作用主要有：
1)改變動力傳輸方向，將電機(jī)輸出的動力從縱向傳遞方向改變?yōu)檐囕喌臋M向轉(zhuǎn)動方向，使車輛能夠?qū)崿F(xiàn)正常的行駛和轉(zhuǎn)向。
2)實(shí)現(xiàn)減速增扭，通過設(shè)計(jì)主、從動螺旋錐齒輪的齒數(shù)比，實(shí)現(xiàn)減速增扭的功能，滿足車輛在不同行駛條件下對扭矩和速度的需求。打齒失效會導(dǎo)致嚴(yán)重的安全隱患，分析失效原因?qū)π袠I(yè)發(fā)展至關(guān)重要。
隨著公司車橋匹配電動重卡的占比越來越高， 逐漸在售后市場出現(xiàn)齒輪打齒故障。
在某礦區(qū)，公司匹配電動重載牽引車，頻發(fā)齒輪打齒故障模式。
工況為碎石及土路的臨時道路，裝載石料，重載下山，空載上山，主要為重載下坡工況，單趟距離為60～100km，當(dāng)行駛至10000～20000km時，出現(xiàn)螺旋錐齒輪打齒故障，這會影響公司口碑，故開展失效分析，尋找故障原因。
宏觀形貌分析:對該礦區(qū)的一起螺旋錐齒輪失效件進(jìn)行分析，故障里程為12000km，運(yùn)行時間為3個月。
客戶反饋重載下坡時突發(fā)異響，經(jīng)拆解發(fā)現(xiàn)主要為被動錐齒輪打齒，螺旋錐齒輪副宏觀失效形貌照片如圖1所示。
圖1 螺旋錐齒輪副宏觀失效形貌
主動錐齒輪齒頂拉毛，尤其倒車面較為明顯， 但未見打齒現(xiàn)象，如圖2所示。
圖2 主動錐齒輪宏觀失效形貌
被動錐齒輪約為10個輪齒打齒，打齒位置主要位于齒長方向小端及偏齒頂位置。
從齒面和斷口分析，發(fā)現(xiàn)被動輪倒車面嚙合印跡下沿存在疲勞膠合帶，從小端一直延伸到距離大端10mm左右的區(qū)域，出現(xiàn)一條明顯的溝槽，寬度為3～4mm左右，印跡偏小端，從齒寬中部到小端齒頂打齒，小端存在壓潰情況。
從失效形貌分析，倒車面靠近嚙合下沿處黏著磨損伴隨材料轉(zhuǎn)移，靠近小端齒頂出現(xiàn)壓潰打齒，如圖3所示。
圖3 被動錐齒輪宏觀失效形貌
被動錐齒輪斷口宏觀形貌(見圖4)：斷齒可見明顯的光亮輝紋，為典型接觸疲勞斷裂形式，相鄰斷齒無明顯疲勞斷裂特征，呈深灰色沖擊韌性斷口。
同一構(gòu)件系統(tǒng)中出現(xiàn)兩種性質(zhì)不同的斷裂特征，在這種情況下應(yīng)先確定首個斷裂部位。
基本原則為既有接觸疲勞斷裂，又有沖擊韌性斷裂，一般會先發(fā)生疲勞斷裂。
宏觀粗視分析結(jié)論為，齒凹面近齒根處齒面次表層最先出現(xiàn)顯微裂紋，隨著疲勞應(yīng)力的增加，在表面滲碳層先出現(xiàn)壓潰，裂紋進(jìn)一步向心部擴(kuò)展，到交界剪切唇處失穩(wěn)斷裂，而斷裂的碎片將其他齒打斷。
圖4 被動錐齒輪斷口宏觀形貌
化學(xué)成分分析:切取失效件齒輪輪齒樣塊，采用直讀式光譜儀對失效的主被動螺旋錐齒輪取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，檢測結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)《保證淬透性結(jié)構(gòu)鋼》(GB/T 5216-2014)中對22CrMoH的成分要求， 如表1所示。
金相組織、硬度檢測:對切取的齒輪樣塊進(jìn)行拋光，并用無水乙醇洗凈，在500倍的光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行金相組織觀察，按照標(biāo)準(zhǔn)《鋼件滲碳淬火回火金相檢驗(yàn)》(GB/T 25744-2010)進(jìn)行滲碳淬火回火金相檢驗(yàn)，齒輪金相組織滿足圖紙技術(shù)要求，滲碳層組織為回火馬氏體+殘余奧氏體，心部為低碳馬氏體，未見粗大晶粒或異常組織。
齒面倒車面工作區(qū)存在二次淬火和回火特征，主要由齒面膠合引起。
硬化層深度按照標(biāo)準(zhǔn)《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測定》(GB/T 9450-2005)進(jìn)行滲碳淬火有效硬化層深度的測定，硬度按照標(biāo)準(zhǔn)《金屬材料洛氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法》(GB/T 230.1-2018)進(jìn)行洛氏硬度檢測，檢測結(jié)果均符合技術(shù)要求，檢測結(jié)果如表2所示。
微觀形貌分析:對被動錐齒輪倒車面嚙合下沿，即打齒裂源處進(jìn)行掃描電鏡微觀分析，發(fā)現(xiàn)倒車面齒面因瞬時高溫焊合后撕裂形成凹坑、條紋，局部區(qū)域出現(xiàn)塑性流動痕跡。
經(jīng)以上特征分析，對比國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 10825-1:2022EN的齒面磨損形貌，屬典型的膠合特征。
膠合是兩嚙合齒面在干摩擦接觸或混合潤滑狀態(tài)下，由于摩擦升溫形成焊合與撕裂而造成的材料損失。
在嚙合過程中，由于過高地接觸壓力和相對滑動速度，促使齒面的接觸溫度瞬時升高。
此時，隔離兩嚙合齒面的潤滑油膜破裂，金屬活性也逐漸增大，在較大接觸載荷的作用下，兩接觸齒面即會形成微觀尺寸級別上的金屬焊合，伴隨著兩嚙合齒面持續(xù)的相對滾滑運(yùn)動，局部焊合金屬會被無規(guī)則地撕裂，從而造成齒面材料的脫落，如圖5所示。
圖5 裂源處齒面膠合形貌
匹配分析:實(shí)際采集故障車輛報(bào)文(見表3)顯示，實(shí)際該車匹配最大倒車輸入扭矩達(dá)到8478Nm，該車橋額定輸入扭矩為7567Nm，達(dá)到了額定扭矩的112%。
技術(shù)協(xié)議中規(guī)定電機(jī)反拖扭矩為額定扭矩的40%，即3026Nm，實(shí)際電機(jī)制動反拖扭矩高達(dá)72%，傳統(tǒng)燃油車使用齒輪倒車的頻次較少，歷史油車齒輪設(shè)計(jì)方案只關(guān)注60%載荷以下的加載嚙合印跡。
現(xiàn)匹配電車后，齒輪倒車實(shí)際載荷由60%提升至100%，反拖輸入扭矩由40%提升至70%，可見對螺旋錐齒輪副的考驗(yàn)加大。
嚙合印跡分析:傳統(tǒng)燃油車螺旋錐齒輪反車工況加載嚙合印跡僅進(jìn)行至60%載荷，其大小端嚙合印跡均未脫出，如圖6所示。
匹配電車以后，加載嚙合印跡已不能按照傳統(tǒng)燃油車倒車加載嚙合印跡做到60%停止，而應(yīng)進(jìn)行至100%，根據(jù)Kimos計(jì)算結(jié)果，在倒車面100%的情況下，嚙合印跡從小端脫出，最大接觸應(yīng)力達(dá)到2490MPa。
載荷越大，最大接觸區(qū)越靠近齒頂，如圖7所示。再疊加反拖扭矩大的原因，使靠近嚙合下沿區(qū)域出現(xiàn)了膠合帶。
齒根附近長時間高溫更容易使螺旋錐齒輪嚙合界面潤滑失效，導(dǎo)致初期膠合發(fā)生在齒根附近，并沿齒高方向擴(kuò)展到整個齒面。
圖6 60%載荷被動錐齒輪倒車面嚙合印跡
圖7 100%載荷被動錐齒輪倒車面齒面應(yīng)力分布
針對電動重卡螺旋錐齒輪打齒現(xiàn)象，通過斷口形貌分析和齒面微觀分析等，形成結(jié)論如下：
1)主機(jī)廠電機(jī)反拖扭矩偏大，按照實(shí)際工況，嚙合印記應(yīng)按照100%進(jìn)行加載。
2)反拖扭矩越大，嚙合印跡越靠近小端。加載100%載荷后，小端會脫出。隨著扭矩的增大，最大應(yīng)力區(qū)向齒頂轉(zhuǎn)移，這是造成靠小端齒頂壓潰打齒的主要原因。
3)由于大扭矩和較高滑移速度，靠近齒根部分先出現(xiàn)膠合及點(diǎn)蝕疲勞帶，減小了齒輪厚度和剛度，大扭矩下小端齒頂應(yīng)力大，導(dǎo)致齒輪倒車面齒頂、源于小端出現(xiàn)打齒。
隨著商用電動重卡的應(yīng)力領(lǐng)域逐漸增大，傳統(tǒng)的螺旋錐齒輪設(shè)計(jì)方案已無法匹配電動重卡的應(yīng)用工況。
為應(yīng)對這種情況，主機(jī)廠需優(yōu)化動力系統(tǒng)的扭矩切換及扭矩設(shè)計(jì)策略，同時，在螺旋錐齒輪方面，還應(yīng)進(jìn)行設(shè)計(jì)強(qiáng)化，主要措施有：通過齒輪宏觀設(shè)計(jì)及微觀修形，優(yōu)化嚙合印跡， 降低齒輪膠合安全系數(shù);提高齒輪油抗膠合能力。
參考文獻(xiàn)：略
作者簡介：田婧(1992-)，女，工程師，研究方向?yàn)辇X輪材料及表面處理、失效分析等技術(shù)與改進(jìn)。
該分析認(rèn)為通過優(yōu)化正車與倒車、反拖相互切換及扭矩設(shè)計(jì)策略，并優(yōu)化齒輪的宏觀和微觀修形、嚙合印跡，可降低膠合安全系數(shù)、提高齒輪油抗膠合能力，以適用電動重卡動態(tài)載荷變化和加速/制動的切換工況。
研究結(jié)果為電動重卡傳動系統(tǒng)的可靠性提升提供了一定依據(jù)。
近幾年來，電動重卡市場發(fā)展迅猛，2024年電動重卡銷量達(dá)46.2萬輛，同比增長31.1%，市場滲透率突破17%。
預(yù)計(jì)到2030年，電動重卡年銷量約200萬輛，滲透率將達(dá)50%。
電動重卡因零排放、低噪音等優(yōu)勢成為物流運(yùn)輸領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，其傳動系統(tǒng)中的螺旋錐齒輪承擔(dān)著高扭矩傳遞與動力功能。
然而，電動重卡因扭矩特性與傳統(tǒng)燃油車有差異顯著，其動力系統(tǒng)輸出扭矩大，齒輪需承受更強(qiáng)的瞬時沖擊和持續(xù)高載荷，在頻繁啟停、加速/制動工況切換時齒輪需適應(yīng)動態(tài)載荷變化，對齒輪的耐受力程度逐漸加強(qiáng)。
螺旋錐齒輪在車橋中的作用主要有：
1)改變動力傳輸方向，將電機(jī)輸出的動力從縱向傳遞方向改變?yōu)檐囕喌臋M向轉(zhuǎn)動方向，使車輛能夠?qū)崿F(xiàn)正常的行駛和轉(zhuǎn)向。
2)實(shí)現(xiàn)減速增扭，通過設(shè)計(jì)主、從動螺旋錐齒輪的齒數(shù)比，實(shí)現(xiàn)減速增扭的功能，滿足車輛在不同行駛條件下對扭矩和速度的需求。打齒失效會導(dǎo)致嚴(yán)重的安全隱患，分析失效原因?qū)π袠I(yè)發(fā)展至關(guān)重要。
失效概況
隨著公司車橋匹配電動重卡的占比越來越高， 逐漸在售后市場出現(xiàn)齒輪打齒故障。
在某礦區(qū)，公司匹配電動重載牽引車，頻發(fā)齒輪打齒故障模式。
工況為碎石及土路的臨時道路，裝載石料，重載下山，空載上山，主要為重載下坡工況，單趟距離為60～100km，當(dāng)行駛至10000～20000km時，出現(xiàn)螺旋錐齒輪打齒故障，這會影響公司口碑，故開展失效分析，尋找故障原因。
原因分析
宏觀形貌分析:對該礦區(qū)的一起螺旋錐齒輪失效件進(jìn)行分析，故障里程為12000km，運(yùn)行時間為3個月。
客戶反饋重載下坡時突發(fā)異響，經(jīng)拆解發(fā)現(xiàn)主要為被動錐齒輪打齒，螺旋錐齒輪副宏觀失效形貌照片如圖1所示。
圖1 螺旋錐齒輪副宏觀失效形貌
圖2 主動錐齒輪宏觀失效形貌
被動錐齒輪約為10個輪齒打齒，打齒位置主要位于齒長方向小端及偏齒頂位置。
從齒面和斷口分析，發(fā)現(xiàn)被動輪倒車面嚙合印跡下沿存在疲勞膠合帶，從小端一直延伸到距離大端10mm左右的區(qū)域，出現(xiàn)一條明顯的溝槽，寬度為3～4mm左右，印跡偏小端，從齒寬中部到小端齒頂打齒，小端存在壓潰情況。
從失效形貌分析，倒車面靠近嚙合下沿處黏著磨損伴隨材料轉(zhuǎn)移，靠近小端齒頂出現(xiàn)壓潰打齒，如圖3所示。
圖3 被動錐齒輪宏觀失效形貌
被動錐齒輪斷口宏觀形貌(見圖4)：斷齒可見明顯的光亮輝紋，為典型接觸疲勞斷裂形式，相鄰斷齒無明顯疲勞斷裂特征，呈深灰色沖擊韌性斷口。
同一構(gòu)件系統(tǒng)中出現(xiàn)兩種性質(zhì)不同的斷裂特征，在這種情況下應(yīng)先確定首個斷裂部位。
基本原則為既有接觸疲勞斷裂，又有沖擊韌性斷裂，一般會先發(fā)生疲勞斷裂。
宏觀粗視分析結(jié)論為，齒凹面近齒根處齒面次表層最先出現(xiàn)顯微裂紋，隨著疲勞應(yīng)力的增加，在表面滲碳層先出現(xiàn)壓潰，裂紋進(jìn)一步向心部擴(kuò)展，到交界剪切唇處失穩(wěn)斷裂，而斷裂的碎片將其他齒打斷。
圖4 被動錐齒輪斷口宏觀形貌
化學(xué)成分分析:切取失效件齒輪輪齒樣塊，采用直讀式光譜儀對失效的主被動螺旋錐齒輪取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，檢測結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)《保證淬透性結(jié)構(gòu)鋼》(GB/T 5216-2014)中對22CrMoH的成分要求， 如表1所示。
表1 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))單位：%
金相組織、硬度檢測:對切取的齒輪樣塊進(jìn)行拋光，并用無水乙醇洗凈，在500倍的光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行金相組織觀察，按照標(biāo)準(zhǔn)《鋼件滲碳淬火回火金相檢驗(yàn)》(GB/T 25744-2010)進(jìn)行滲碳淬火回火金相檢驗(yàn)，齒輪金相組織滿足圖紙技術(shù)要求，滲碳層組織為回火馬氏體+殘余奧氏體，心部為低碳馬氏體，未見粗大晶粒或異常組織。
齒面倒車面工作區(qū)存在二次淬火和回火特征，主要由齒面膠合引起。
硬化層深度按照標(biāo)準(zhǔn)《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測定》(GB/T 9450-2005)進(jìn)行滲碳淬火有效硬化層深度的測定，硬度按照標(biāo)準(zhǔn)《金屬材料洛氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法》(GB/T 230.1-2018)進(jìn)行洛氏硬度檢測，檢測結(jié)果均符合技術(shù)要求，檢測結(jié)果如表2所示。
表2 金相組織及硬度檢測結(jié)果
微觀形貌分析:對被動錐齒輪倒車面嚙合下沿，即打齒裂源處進(jìn)行掃描電鏡微觀分析，發(fā)現(xiàn)倒車面齒面因瞬時高溫焊合后撕裂形成凹坑、條紋，局部區(qū)域出現(xiàn)塑性流動痕跡。
經(jīng)以上特征分析，對比國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 10825-1:2022EN的齒面磨損形貌，屬典型的膠合特征。
膠合是兩嚙合齒面在干摩擦接觸或混合潤滑狀態(tài)下，由于摩擦升溫形成焊合與撕裂而造成的材料損失。
在嚙合過程中，由于過高地接觸壓力和相對滑動速度，促使齒面的接觸溫度瞬時升高。
此時，隔離兩嚙合齒面的潤滑油膜破裂，金屬活性也逐漸增大，在較大接觸載荷的作用下，兩接觸齒面即會形成微觀尺寸級別上的金屬焊合，伴隨著兩嚙合齒面持續(xù)的相對滾滑運(yùn)動，局部焊合金屬會被無規(guī)則地撕裂，從而造成齒面材料的脫落，如圖5所示。
圖5 裂源處齒面膠合形貌
匹配分析:實(shí)際采集故障車輛報(bào)文(見表3)顯示，實(shí)際該車匹配最大倒車輸入扭矩達(dá)到8478Nm，該車橋額定輸入扭矩為7567Nm，達(dá)到了額定扭矩的112%。
技術(shù)協(xié)議中規(guī)定電機(jī)反拖扭矩為額定扭矩的40%，即3026Nm，實(shí)際電機(jī)制動反拖扭矩高達(dá)72%，傳統(tǒng)燃油車使用齒輪倒車的頻次較少，歷史油車齒輪設(shè)計(jì)方案只關(guān)注60%載荷以下的加載嚙合印跡。
現(xiàn)匹配電車后，齒輪倒車實(shí)際載荷由60%提升至100%，反拖輸入扭矩由40%提升至70%，可見對螺旋錐齒輪副的考驗(yàn)加大。
表3 實(shí)車扭矩采集數(shù)據(jù) 單位：Nm
嚙合印跡分析:傳統(tǒng)燃油車螺旋錐齒輪反車工況加載嚙合印跡僅進(jìn)行至60%載荷，其大小端嚙合印跡均未脫出，如圖6所示。
匹配電車以后，加載嚙合印跡已不能按照傳統(tǒng)燃油車倒車加載嚙合印跡做到60%停止，而應(yīng)進(jìn)行至100%，根據(jù)Kimos計(jì)算結(jié)果，在倒車面100%的情況下，嚙合印跡從小端脫出，最大接觸應(yīng)力達(dá)到2490MPa。
載荷越大，最大接觸區(qū)越靠近齒頂，如圖7所示。再疊加反拖扭矩大的原因，使靠近嚙合下沿區(qū)域出現(xiàn)了膠合帶。
齒根附近長時間高溫更容易使螺旋錐齒輪嚙合界面潤滑失效，導(dǎo)致初期膠合發(fā)生在齒根附近，并沿齒高方向擴(kuò)展到整個齒面。
圖6 60%載荷被動錐齒輪倒車面嚙合印跡
圖7 100%載荷被動錐齒輪倒車面齒面應(yīng)力分布
結(jié)論與建議
針對電動重卡螺旋錐齒輪打齒現(xiàn)象，通過斷口形貌分析和齒面微觀分析等，形成結(jié)論如下：
1)主機(jī)廠電機(jī)反拖扭矩偏大，按照實(shí)際工況，嚙合印記應(yīng)按照100%進(jìn)行加載。
2)反拖扭矩越大，嚙合印跡越靠近小端。加載100%載荷后，小端會脫出。隨著扭矩的增大，最大應(yīng)力區(qū)向齒頂轉(zhuǎn)移，這是造成靠小端齒頂壓潰打齒的主要原因。
3)由于大扭矩和較高滑移速度，靠近齒根部分先出現(xiàn)膠合及點(diǎn)蝕疲勞帶，減小了齒輪厚度和剛度，大扭矩下小端齒頂應(yīng)力大，導(dǎo)致齒輪倒車面齒頂、源于小端出現(xiàn)打齒。
隨著商用電動重卡的應(yīng)力領(lǐng)域逐漸增大，傳統(tǒng)的螺旋錐齒輪設(shè)計(jì)方案已無法匹配電動重卡的應(yīng)用工況。
為應(yīng)對這種情況，主機(jī)廠需優(yōu)化動力系統(tǒng)的扭矩切換及扭矩設(shè)計(jì)策略，同時，在螺旋錐齒輪方面，還應(yīng)進(jìn)行設(shè)計(jì)強(qiáng)化，主要措施有：通過齒輪宏觀設(shè)計(jì)及微觀修形，優(yōu)化嚙合印跡， 降低齒輪膠合安全系數(shù);提高齒輪油抗膠合能力。
參考文獻(xiàn)：略
作者簡介：田婧(1992-)，女，工程師，研究方向?yàn)辇X輪材料及表面處理、失效分析等技術(shù)與改進(jìn)。