針對電動重卡螺旋錐齒輪在服役過程中出現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、應力分析、報文分析等手段，找到了引起失效的主要原因。
該分析認為通過優化正車與倒車、反拖相互切換及扭矩設計策略，并優化齒輪的宏觀和微觀修形、嚙合印跡，可降低膠合安全系數、提高齒輪油抗膠合能力，以適用電動重卡動態載荷變化和加速/制動的切換工況。
研究結果為電動重卡傳動系統的可靠性提升提供了一定依據。
近幾年來，電動重卡市場發展迅猛，2024年電動重卡銷量達46.2萬輛，同比增長31.1%，市場滲透率突破17%。
預計到2030年，電動重卡年銷量約200萬輛，滲透率將達50%。
電動重卡因零排放、低噪音等優勢成為物流運輸領域的重要發展方向，其傳動系統中的螺旋錐齒輪承擔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燃油車有差異顯著，其動力系統輸出扭矩大，齒輪需承受更強的瞬時沖擊和持續高載荷，在頻繁啟停、加速/制動工況切換時齒輪需適應動態載荷變化，對齒輪的耐受力程度逐漸加強。
螺旋錐齒輪在車橋中的作用主要有：
1)改變動力傳輸方向，將電機輸出的動力從縱向傳遞方向改變為車輪的橫向轉動方向，使車輛能夠實現正常的行駛和轉向。
2)實現減速增扭，通過設計主、從動螺旋錐齒輪的齒數比，實現減速增扭的功能，滿足車輛在不同行駛條件下對扭矩和速度的需求。打齒失效會導致嚴重的安全隱患，分析失效原因對行業發展至關重要。
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齒輪打齒故障。
在某礦區，公司匹配電動重載牽引車，頻發齒輪打齒故障模式。
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，當行駛至10000～20000km時，出現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:對該礦區的一起螺旋錐齒輪失效件進行分析，故障里程為12000km，運行時間為3個月。
客戶反饋重載下坡時突發異響，經拆解發現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，發現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左右的區域，出現一條明顯的溝槽，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移，靠近小端齒頂出現壓潰打齒，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。
同一構件系統中出現兩種性質不同的斷裂特征，在這種情況下應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，一般會先發生疲勞斷裂。
宏觀粗視分析結論為，齒凹面近齒根處齒面次表層最先出現顯微裂紋，隨著疲勞應力的增加，在表面滲碳層先出現壓潰，裂紋進一步向心部擴展，到交界剪切唇處失穩斷裂，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行化學成分分析，檢測結果滿足標準《保證淬透性結構鋼》(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行拋光，并用無水乙醇洗凈，在500倍的光學顯微鏡下進行金相組織觀察，按照標準《鋼件滲碳淬火回火金相檢驗》(GB/T 25744-2010)進行滲碳淬火回火金相檢驗，齒輪金相組織滿足圖紙技術要求，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?；虍惓＝M織。
齒面倒車面工作區存在二次淬火和回火特征，主要由齒面膠合引起。
硬化層深度按照標準《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測定》(GB/T 9450-2005)進行滲碳淬火有效硬化層深度的測定，硬度按照標準《金屬材料洛氏硬度試驗第1部分：試驗方法》(GB/T 230.1-2018)進行洛氏硬度檢測，檢測結果均符合技術要求，檢測結果如表2所示。
微觀形貌分析:對被動錐齒輪倒車面嚙合下沿，即打齒裂源處進行掃描電鏡微觀分析，發現倒車面齒面因瞬時高溫焊合后撕裂形成凹坑、條紋，局部區域出現塑性流動痕跡。
經以上特征分析，對比國際標準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的相對滾滑運動，局部焊合金屬會被無規則地撕裂，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:實際采集故障車輛報文(見表3)顯示，實際該車匹配最大倒車輸入扭矩達到8478Nm，該車橋額定輸入扭矩為7567Nm，達到了額定扭矩的112%。
技術協議中規定電機反拖扭矩為額定扭矩的40%，即3026Nm，實際電機制動反拖扭矩高達72%，傳統燃油車使用齒輪倒車的頻次較少，歷史油車齒輪設計方案只關注60%載荷以下的加載嚙合印跡。
現匹配電車后，齒輪倒車實際載荷由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加大。
嚙合印跡分析:傳統燃油車螺旋錐齒輪反車工況加載嚙合印跡僅進行至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燃油車倒車加載嚙合印跡做到60%停止，而應進行至100%，根據Kimos計算結果，在倒車面100%的情況下，嚙合印跡從小端脫出，最大接觸應力達到2490MPa。
載荷越大，最大接觸區越靠近齒頂，如圖7所示。再疊加反拖扭矩大的原因，使靠近嚙合下沿區域出現了膠合帶。
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，導致初期膠合發生在齒根附近，并沿齒高方向擴展到整個齒面。
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力分布
針對電動重卡螺旋錐齒輪打齒現象，通過斷口形貌分析和齒面微觀分析等，形成結論如下：
1)主機廠電機反拖扭矩偏大，按照實際工況，嚙合印記應按照100%進行加載。
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，最大應力區向齒頂轉移，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膠合及點蝕疲勞帶，減小了齒輪厚度和剛度，大扭矩下小端齒頂應力大，導致齒輪倒車面齒頂、源于小端出現打齒。
隨著商用電動重卡的應力領域逐漸增大，傳統的螺旋錐齒輪設計方案已無法匹配電動重卡的應用工況。
為應對這種情況，主機廠需優化動力系統的扭矩切換及扭矩設計策略，同時，在螺旋錐齒輪方面，還應進行設計強化，主要措施有：通過齒輪宏觀設計及微觀修形，優化嚙合印跡， 降低齒輪膠合安全系數;提高齒輪油抗膠合能力。
參考文獻：略
作者簡介：田婧(1992-)，女，工程師，研究方向為齒輪材料及表面處理、失效分析等技術與改進。
該分析認為通過優化正車與倒車、反拖相互切換及扭矩設計策略，并優化齒輪的宏觀和微觀修形、嚙合印跡，可降低膠合安全系數、提高齒輪油抗膠合能力，以適用電動重卡動態載荷變化和加速/制動的切換工況。
研究結果為電動重卡傳動系統的可靠性提升提供了一定依據。
近幾年來，電動重卡市場發展迅猛，2024年電動重卡銷量達46.2萬輛，同比增長31.1%，市場滲透率突破17%。
預計到2030年，電動重卡年銷量約200萬輛，滲透率將達50%。
電動重卡因零排放、低噪音等優勢成為物流運輸領域的重要發展方向，其傳動系統中的螺旋錐齒輪承擔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燃油車有差異顯著，其動力系統輸出扭矩大，齒輪需承受更強的瞬時沖擊和持續高載荷，在頻繁啟停、加速/制動工況切換時齒輪需適應動態載荷變化，對齒輪的耐受力程度逐漸加強。
螺旋錐齒輪在車橋中的作用主要有：
1)改變動力傳輸方向，將電機輸出的動力從縱向傳遞方向改變為車輪的橫向轉動方向，使車輛能夠實現正常的行駛和轉向。
2)實現減速增扭，通過設計主、從動螺旋錐齒輪的齒數比，實現減速增扭的功能，滿足車輛在不同行駛條件下對扭矩和速度的需求。打齒失效會導致嚴重的安全隱患，分析失效原因對行業發展至關重要。
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齒輪打齒故障。
在某礦區，公司匹配電動重載牽引車，頻發齒輪打齒故障模式。
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，當行駛至10000～20000km時，出現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:對該礦區的一起螺旋錐齒輪失效件進行分析，故障里程為12000km，運行時間為3個月。
客戶反饋重載下坡時突發異響，經拆解發現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，發現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左右的區域，出現一條明顯的溝槽，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移，靠近小端齒頂出現壓潰打齒，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。
同一構件系統中出現兩種性質不同的斷裂特征，在這種情況下應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，一般會先發生疲勞斷裂。
宏觀粗視分析結論為，齒凹面近齒根處齒面次表層最先出現顯微裂紋，隨著疲勞應力的增加，在表面滲碳層先出現壓潰，裂紋進一步向心部擴展，到交界剪切唇處失穩斷裂，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行化學成分分析，檢測結果滿足標準《保證淬透性結構鋼》(GB/T 5216-2014)中對22CrMoH的成分要求， 如表1所示。
表1 化學成分(質量分數)單位：%
金相組織、硬度檢測:對切取的齒輪樣塊進行拋光，并用無水乙醇洗凈，在500倍的光學顯微鏡下進行金相組織觀察，按照標準《鋼件滲碳淬火回火金相檢驗》(GB/T 25744-2010)進行滲碳淬火回火金相檢驗，齒輪金相組織滿足圖紙技術要求，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?；虍惓＝M織。
齒面倒車面工作區存在二次淬火和回火特征，主要由齒面膠合引起。
硬化層深度按照標準《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測定》(GB/T 9450-2005)進行滲碳淬火有效硬化層深度的測定，硬度按照標準《金屬材料洛氏硬度試驗第1部分：試驗方法》(GB/T 230.1-2018)進行洛氏硬度檢測，檢測結果均符合技術要求，檢測結果如表2所示。
表2 金相組織及硬度檢測結果
微觀形貌分析:對被動錐齒輪倒車面嚙合下沿，即打齒裂源處進行掃描電鏡微觀分析，發現倒車面齒面因瞬時高溫焊合后撕裂形成凹坑、條紋，局部區域出現塑性流動痕跡。
經以上特征分析，對比國際標準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的相對滾滑運動，局部焊合金屬會被無規則地撕裂，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:實際采集故障車輛報文(見表3)顯示，實際該車匹配最大倒車輸入扭矩達到8478Nm，該車橋額定輸入扭矩為7567Nm，達到了額定扭矩的112%。
技術協議中規定電機反拖扭矩為額定扭矩的40%，即3026Nm，實際電機制動反拖扭矩高達72%，傳統燃油車使用齒輪倒車的頻次較少，歷史油車齒輪設計方案只關注60%載荷以下的加載嚙合印跡。
現匹配電車后，齒輪倒車實際載荷由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加大。
表3 實車扭矩采集數據 單位：Nm
嚙合印跡分析:傳統燃油車螺旋錐齒輪反車工況加載嚙合印跡僅進行至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燃油車倒車加載嚙合印跡做到60%停止，而應進行至100%，根據Kimos計算結果，在倒車面100%的情況下，嚙合印跡從小端脫出，最大接觸應力達到2490MPa。
載荷越大，最大接觸區越靠近齒頂，如圖7所示。再疊加反拖扭矩大的原因，使靠近嚙合下沿區域出現了膠合帶。
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，導致初期膠合發生在齒根附近，并沿齒高方向擴展到整個齒面。
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力分布
結論與建議
針對電動重卡螺旋錐齒輪打齒現象，通過斷口形貌分析和齒面微觀分析等，形成結論如下：
1)主機廠電機反拖扭矩偏大，按照實際工況，嚙合印記應按照100%進行加載。
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，最大應力區向齒頂轉移，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膠合及點蝕疲勞帶，減小了齒輪厚度和剛度，大扭矩下小端齒頂應力大，導致齒輪倒車面齒頂、源于小端出現打齒。
隨著商用電動重卡的應力領域逐漸增大，傳統的螺旋錐齒輪設計方案已無法匹配電動重卡的應用工況。
為應對這種情況，主機廠需優化動力系統的扭矩切換及扭矩設計策略，同時，在螺旋錐齒輪方面，還應進行設計強化，主要措施有：通過齒輪宏觀設計及微觀修形，優化嚙合印跡， 降低齒輪膠合安全系數;提高齒輪油抗膠合能力。
參考文獻：略
作者簡介：田婧(1992-)，女，工程師，研究方向為齒輪材料及表面處理、失效分析等技術與改進。