王春雁  胡卫中  陈卫虎  陈德良  郭巧慧 纪静

河北华北柴油机有限责任公司 质量保证处  河北 石家庄 050081

摘要：通过对故障齿圈的宏观检查、化学成分分析、表面硬度、心部硬度、淬硬深度、金相检验分析等一系列的检测分析。结果表明：由于发动机带负荷启动，超出了齿圈的承受能力，导致齿圈打齿现象发生。

概述： 发动机在行驶了4056km时发生齿圈打齿现象，整个齿圈共两处4个齿被打断。齿圈材料为45钢，生产工艺为：进料检验 →下料 → 中频加热 → 锻造  → 正火   → 机加工  → 淬火/回火 → 磁粉探伤。为查明齿圈打齿断裂原因，预防断裂再次发生，对齿圈进行一系列的检验和分析。

一、理化检验分析

1  断口检验分析恩

断口形貌见图1、图2。图1断口处未见缺陷，断口有人字纹和小刻面特征，明显的脆性断裂特征，有受外力冲击作用引起的断裂特征。图2为断口附近金相抛光态形态，可见断面呈台阶状，并有二次裂纹，这些二次裂纹均为沿解理面扩展的解理裂纹[1]。

 

 

                                              

图1                             图2  100X

2  化学成分

钢材的化学成分在很大程度上决定了它的机械性能，因此对故障齿圈主要化学成分的检测，检测结果符合国家标准GB/T699-1999 ，见表1。

表1  故障齿圈的化学成分（质量分数）     ％

化学成分 C Si Mn S P

实测值 0.45 0.23 0.62 0.022 0.020

标准值 0.42~0.50 0.17~0.37 0.50~0.80 ≤0.035 ≤0.035

 

 

 

3  硬度、淬硬深度检测

3.1 表面硬度、心部硬度测试

   距离齿顶3mm处齿面检测表面硬度值为53.0、53.0、51.5、 52.0 HRC（图纸技术要求为47~53HRC）,变差范围不大，符合技术要求。

  心部硬度值为193、193、192HB(图纸技术要求为≥187HB)，符合技术要求。

3.2 淬硬深度测试

齿面淬硬层深淬透(图纸技术要求为＞1.5mm)，符合技术要求。

齿根淬硬层深为0.7mm（图纸技术要求为＞0.5mm），符合技术要求。

4  金相检测分析

4.1 非金属夹杂物的检测

对故障齿圈在断口处纵向取样，经过磨、抛制样，然后在Nephot金相显微镜100倍下观察，根据国家标准GB/T10561-2005，非金属夹杂物级别为A1、B0.5、C0、D0.5，符合技术要求。

4.2 金相显微组织检测

对断裂齿圈分别纵向横向取样，取样后磨、抛，然后用4%硝酸酒精腐蚀，腐蚀后在Nephot金相显微镜下检测金相显微组织。

淬硬区金相组织：齿面淬硬层组织为回火马氏体，等级4级（要求3~7级），符合技术要求，见图3。齿根淬硬层组织为回火马氏体+少量铁素体，等级5~6级（要求3~7级），符合技术要求，见图4。

 

 

图3     400X                          图4     400X

心部金相组织为珠光体+铁素体，未见魏氏组织，组织正常[2]，见图5。

 

 

 

图5     100X

二、分析与讨论

正常情况下是起动电机的齿轮一边旋转一边伸出，在启动初期，启动电机小齿轮在控制线圈作用下，低速缓慢旋转伸出，此时齿轮旋转力矩较小，在旋转过程中找到与齿圈配合的位置，并深入到足够的深度，使齿啮合面有足够的接触面积，然后在启动线圈的作用下，加大旋转力矩并带动齿圈转动从而启动发动机。发动机启动后，松开启动开关后，启动电机小齿轮缩回，完成整个发动机启动过程。

根据齿圈结构形式和工作原理、对故障齿圈的检测情况及故障机起动电机情况的了解，经分析认为造成齿圈打齿的原因主要有：

（1）齿圈断齿部位存在裂纹、疏松等缺陷，受外力作用从有缺陷的部位断裂；宏观检查故障齿圈断口部位是明显的脆性断裂，断口处未见缺陷，且齿圈工艺要求进行百分之百磁力探伤检查，检查结果合格。所以可以排除是由于齿圈有缺陷导致齿部断裂。

（2）齿圈化学成分、硬度、淬硬深度、金相组织等不符合图纸要求，齿的强度不够，导致受力疲劳断裂；经过以上一系列的理化检测均符合图纸要求，断口未见疲劳特征，可以排除齿圈化学成分、硬度、淬硬深度、金相组织不合格造成齿圈断齿。

（3）起动电机存在故障，起动器与齿圈啮合后没有及时脱开；现场检查与故障齿圈配合的起动电机，齿轮能够顺畅的伸出、缩回。并且，更换齿圈后，发动机可以正常顺畅启动，所以可以排除是由于起动电机故障导致齿圈打齿。

（4）齿圈的尺寸不符合图纸要求；经查生产厂家对该齿进行检测，齿圈的尺寸符合图纸要求，因此可以排除齿圈齿圈的尺寸不符合图纸要求造成的问题。

（5）发动机带负荷启动，起动时齿圈承受的负荷过大，导致齿圈断裂。理论上，启动电机齿轮的设计强度大于齿圈的设计强度，在发动机带负荷启动的情况下，首先损坏的就是齿圈，所以导致齿圈打齿。

综合以上分析，齿圈与启动电机都没有问题。正常情况下是起动电机的齿轮一边旋转一边伸出，在旋转过程中找到与齿圈配合的位置，并深入到足够的深度，使齿间有足够的接触面积，并带动齿圈转动从而起动发动机。由于发动机带负荷启动，启动电机与齿圈形成啮合后，带动发动机强行启动，齿圈不止带动发动机，还要额外受负荷力，加大了齿圈的负担，超出了齿圈的承受能力，导致齿圈的齿断裂。

三、结论

      1、齿圈及启动电机均符合要求。

      2、本次故障的原因是由于发动机带负荷启动，超出了齿圈的承受能力，导致齿圈断齿现象发生。

参考文献

[1]  黄振东. 钢铁金相图谱. 中国科技文化出版社.2005

[2]  安运铮. 热处理工艺学. 机械工业出版社.1982：15033.5087