某型航空用中间减速器在厂内大功率试车后，分解检查发现中减输入齿轮和中减输出齿轮存在擦伤，本文针对齿轮擦伤问题的原因，主要从理化检测、齿轮形貌、强度计算等方面开展了详细分析和研究，准确进行了故障定位，并通过后续试验验证了采取的优化设计和工艺的改进措施可行且有效。
1、结构功能说明
中间减速器是直升机传动系统的重要部件，由输入齿轮组件、主机匣组件、和输出齿轮组件组成(如图 1 所示)，主要作用是根据直升机的需要，在为尾水平轴和尾斜轴之间传递功率并按要求进行减速和换向，具有设计结构紧凑、承载能力大、功重比高的特点。某直升机传动系统中间减速器承载最大功率达 650kW，为减小尺寸和重量，并保证齿轮传动平稳性和承载能力，采用了一级满载啮合的螺旋锥齿轮，输入齿轮、输出齿轮是一对轴交角为 122.308°的格里森齿制螺旋锥齿轮，齿轮齿顶圆角 R0.3～0.5，材料均为 9310 钢，齿轮齿面、齿槽底面及规定表面渗碳，深度 1.30～1.50，渗碳表面硬度 HRA81～83，非渗碳区硬度 HRC33～41，磨齿后齿轮齿面、齿根及幅板面进行喷丸处理，喷丸强度为 0.007～0.009A(英寸)，覆盖率 200%。
2、故障现象
大功率试验主要是通过试验器加载考核该中间减速器在最大功率 650kW 下齿轮是否啮合正常，试验功率 650kW、时间 10min，试验后分解检查，要求各零件外观应无异常磨损现象。该中间减速器在完成大功率试验后分解检查，发现输入齿轮、输出齿轮的各齿工作面均存在不同程度擦伤问题，输入齿轮齿面擦伤位于齿根处，输出齿轮齿面擦伤位于靠齿顶处。擦伤形貌为：输入齿轮齿面上 除了接触印痕之外，在接触印痕下方有一条亮带;输出齿轮凸面靠近齿顶位置磨亮。中减输入、输出齿轮擦伤区域长约 5mm，宽约 2mm，深约 0.01mm，中减输出齿轮工作面(凸面)齿顶印痕已超出齿顶，中减输入齿轮工作面(凹面)齿顶印痕未超出齿顶。擦伤形貌(如图 2 所示)。
3、故障分析及定位
该中间减速器大功率试验后，除输入齿轮、输出齿轮齿面擦伤外，其余零件外观质量均无异常，测量齿轮齿型、齿向、齿顶圆角等相关尺寸均符合设计图样要求。根据齿轮工作原理、擦伤出现部位和尺寸测量结合，初步分析认为擦伤问题是齿轮工作过程输入齿轮齿底与输出齿轮齿顶倒圆干涉所致，为准确定位原因，补充开展检查和分析工作。
理化检测分析
对故障件中减输入齿轮进行理化分析，理化检测结果合格，具体情况(见表 1、表 2)。
对故障件中减输出齿轮进行理化分析，理化检测结果合格(见表 3、表 4)。
齿顶形貌分析
复测中减输出齿轮齿顶圆角 (工作面)为 R0.319～ 0.465，符合设计 R0.3～0.5 要求。为更好的描述齿顶圆角转接情况，引入齿顶圆角 a、b 值作为辅助判断齿顶圆角与齿面、齿顶转接良好情况。齿顶圆角 a、b 值概念：齿轮齿顶与齿面转接通过圆角进行过渡，转接圆角与齿顶、齿面会分别形成一切点(把圆角与齿顶形成的切点定义为 A 点，与齿面形成的切点定义为 B 点)，两切点间垂直和水平方向的距离分别定义为 a 值、b 值(如图 3 所示)。因圆角设计存在公差，当中减输出齿轮工作面圆角 R 为下差 0.3 及上差 0.5 时，通过三维软件 UG 作图可分别得到R=0.3 及 R=0.5 时的理论 a 值为 0.165～0.280、b 值为0.285～0.445(如图 4 所示)。从圆角 a、b 值的产生过程可以得知：圆角 a、b 值为圆角 R 衍生的尺寸，与圆角大小及圆角的空间位置有关，能用于辅助判断圆角转接是否做到理论相切参考，当圆角转接未做到理论相切时，会在 A、B 点出现异常高点，给齿面啮合带来不利影响。
复查齿顶圆角形貌，发现多个齿顶圆角 a、b 值超差，说明齿顶与齿面转接处未做到理论上的相切，即齿顶圆角与齿面转接未圆滑过渡(见表 5)。
强度计算分析
对中减锥齿轮副轮齿设计强度分析如下：设计功率下轮齿弯曲疲劳强度和接触疲劳、最大功率下齿面胶合温升均低于许用值(见表 6)。
结合实际齿面的加载印痕和加工控制参数计算齿面接触应力，通过 KIMoS 软件仿真，中减齿轮副在最大功率 650kW 下齿面接触应力为 1628MPa，中减齿轮副加载分析(见表 7 所示)。虽然齿面理论接触应力仍小于许用值，但已十分接近，并且本型号中减齿面印痕为 “满齿面设计”，考虑到制造、装配误差，实际中减大功率加载试车后中减输出齿轮印痕超出齿面，中减输出齿轮齿顶参与啮合，形成边缘接触，应力集中加剧，容易引起擦伤。
问题复现验证
根据故障分析和故障定位，选用齿顶圆角(工作面)R0.342～0.478，齿顶与齿面转接处未做到理论上的相切的中减输出齿轮后再次进行磨合试车及大功率试车，完成后对中减进行分解检查， 发现中减输入齿轮和中减输出齿轮仍有有轻微擦伤(见图 5)。擦伤形貌为：输入齿轮齿面上除了接触印痕之外，在接触印痕下方有一条亮带;输出齿轮凸面靠近齿顶位置磨亮，故障复现。
综合分析认为中减为满足功率提升要求，齿面印痕为 “满齿面设 计”，大功率状态下，中减齿轮副在加载条件下机匣、齿轮轴、轴承及轮齿会产生变形，齿轮副啮合状态与设计状态存在一定差异，中减输出齿轮齿顶圆角参与啮合，齿顶圆角处形成接触应力集中，在中减输出齿轮齿顶圆角转接未做到理论上的相切(即转接未圆滑过渡)情况下接触应力集中加剧，破坏齿面油膜，使齿面接触状况 恶化，最终导致齿面出现擦伤现象。
4、改进措施与验证
为保证减速器厂内试车及保证减速器交付至外场不出现擦伤现象，制定纠正措施及验证情况如下：
设计改进
通过分析和查阅资料，中减输出齿轮齿顶圆角加大有利于缓解齿轮大功率状态下齿顶应力集中。根据齿面擦伤形态及区域，结合以往相似型号圆角设计的经验值，将设计圆角由目前的 R0.3～0.5 加大至 R0.4～0.6。
工艺改进
中减输出齿轮擦伤部位均为工作面齿顶中部，为更好的检查、控制齿顶中部圆角与齿面转接是否在理论切点范围内，加工检测工艺由目前的“每件检查对称 2 颗齿 3 个截面齿顶圆角(含切点参考 a/b 值)”更改为“每件检查对称 4 颗齿 3 个截面工作面齿顶圆角(含切点参考 a/b值)，检查若发现工作面齿顶中部截面圆角切点 a、b 值不在参考 a、b 值范围内时，则采用钳工局部抛修的方式对该齿轮工作面齿顶圆角与齿面转接处进行抛修”。
试验验证
使用贯彻了改进措施的齿轮副，实测所有工作面齿顶圆角，结果为 R0.403～0.594，齿面转接均在在理论切点范围内，除齿轮副外其余零件原样复装，经磨合试车、大功率试车，分解检查未发现齿轮擦伤。并且后续 5 台套中减大功率试车后分解检查均未出现齿轮擦伤的情况，证明措施有效。
5、结束语
通过对某型中间减速器齿轮擦伤问题的原因进行分析和排查， 确定是由于输出齿轮齿顶圆角偏小且与齿面转接未圆滑过渡导致的齿面擦伤，进而采取了改进措施且验证有效。本次故障的处理对航空螺旋锥齿轮中间减速器齿面擦伤问题的故障处理提供了参考，同时也可参照本文优化相关设计、工艺工作。
参考文献略.