近几年来，电动重卡市场发展迅猛，2024年电动重卡销量达46.2万辆，同比增长31.1%，市场渗透率突破17%。

预计到2030年，电动重卡年销量约200万辆，渗透率将达50%。

电动重卡因零排放、低噪音等优势成为物流运输领域的重要发展方向，其传动系统中的螺旋锥齿轮承担着高扭矩传递与动力功能。

然而，电动重卡因扭矩特性与传统燃油车有差异显著，其动力系统输出扭矩大，齿轮需承受更强的瞬时冲击和持续高载荷，在频繁启停、加速/制动工况切换时齿轮需适应动态载荷变化，对齿轮的耐受力程度逐渐加强。

螺旋锥齿轮在车桥中的作用主要有：

1）改变动力传输方向，将电机输出的动力从纵向传递方向改变为车轮的横向转动方向，使车辆能够实现正常的行驶和转向。

2）实现减速增扭，通过设计主、从动螺旋锥齿轮的齿数比，实现减速增扭的功能，满足车辆在不同行驶条件下对扭矩和速度的需求。打齿失效会导致严重的安全隐患，分析失效原因对行业发展至关重要。

失效概况

随着公司车桥匹配电动重卡的占比越来越高， 逐渐在售后市场出现齿轮打齿故障。

在某矿区，公司匹配电动重载牵引车，频发齿轮打齿故障模式。

工况为碎石及土路的临时道路，装载石料，重载下山，空载上山，主要为重载下坡工况，单趟距离为60～100km，当行驶至10000～20000km时，出现螺旋锥齿轮打齿故障，这会影响公司口碑，故开展失效分析，寻找故障原因。

 原因分析

宏观形貌分析:对该矿区的一起螺旋锥齿轮失效件进行分析，故障里程为12000km，运行时间为3个月。

客户反馈重载下坡时突发异响，经拆解发现主要为被动锥齿轮打齿，螺旋锥齿轮副宏观失效形貌照片如图1所示。

图1 螺旋锥齿轮副宏观失效形貌

主动锥齿轮齿顶拉毛，尤其倒车面较为明显， 但未见打齿现象，如图2所示。

图2 主动锥齿轮宏观失效形貌

被动锥齿轮约为10个轮齿打齿，打齿位置主要位于齿长方向小端及偏齿顶位置。

从齿面和断口分析，发现被动轮倒车面啮合印迹下沿存在疲劳胶合带，从小端一直延伸到距离大端10mm左右的区域，出现一条明显的沟槽，宽度为3～4mm左右，印迹偏小端，从齿宽中部到小端齿顶打齿，小端存在压溃情况。

从失效形貌分析，倒车面靠近啮合下沿处黏着磨损伴随材料转移，靠近小端齿顶出现压溃打齿，如图3所示。

图3 被动锥齿轮宏观失效形貌

被动锥齿轮断口宏观形貌(见图4)：断齿可见明显的光亮辉纹，为典型接触疲劳断裂形式，相邻断齿无明显疲劳断裂特征，呈深灰色冲击韧性断口。

同一构件系统中出现两种性质不同的断裂特征，在这种情况下应先确定首个断裂部位。

基本原则为既有接触疲劳断裂，又有冲击韧性断裂，一般会先发生疲劳断裂。

宏观粗视分析结论为，齿凹面近齿根处齿面次表层最先出现显微裂纹，随着疲劳应力的增加，在表面渗碳层先出现压溃，裂纹进一步向心部扩展，到交界剪切唇处失稳断裂，而断裂的碎片将其他齿打断。

图4 被动锥齿轮断口宏观形貌

化学成分分析:切取失效件齿轮轮齿样块，采用直读式光谱仪对失效的主被动螺旋锥齿轮取样进行化学成分分析，检测结果满足标准《保证淬透性结构钢》(GB/T 5216－2014)中对22CrMoH的成分要求， 如表1所示。

    表1 化学成分（质量分数）单位：%

金相组织、硬度检测:对切取的齿轮样块进行抛光，并用无水乙醇洗净，在500倍的光学显微镜下进行金相组织观察，按照标准《钢件渗碳淬火回火金相检验》(GB/T 25744－2010)进行渗碳淬火回火金相检验，齿轮金相组织满足图纸技术要求，渗碳层组织为回火马氏体+残余奥氏体，心部为低碳马氏体，未见粗大晶粒或异常组织。

齿面倒车面工作区存在二次淬火和回火特征，主要由齿面胶合引起。

硬化层深度按照标准《钢件渗碳淬火硬化层深度的测定》(GB/T 9450－2005)进行渗碳淬火有效硬化层深度的测定，硬度按照标准《金属材料洛氏硬度试验第1部分：试验方法》(GB/T 230.1－2018)进行洛氏硬度检测，检测结果均符合技术要求，检测结果如表2所示。

表2 金相组织及硬度检测结果

微观形貌分析:对被动锥齿轮倒车面啮合下沿，即打齿裂源处进行扫描电镜微观分析，发现倒车面齿面因瞬时高温焊合后撕裂形成凹坑、条纹，局部区域出现塑性流动痕迹。

经以上特征分析，对比国际标准ISO 10825-1:2022EN的齿面磨损形貌，属典型的胶合特征。

胶合是两啮合齿面在干摩擦接触或混合润滑状态下，由于摩擦升温形成焊合与撕裂而造成的材料损失。

在啮合过程中，由于过高地接触压力和相对滑动速度，促使齿面的接触温度瞬时升高。

此时，隔离两啮合齿面的润滑油膜破裂，金属活性也逐渐增大，在较大接触载荷的作用下，两接触齿面即会形成微观尺寸级别上的金属焊合，伴随着两啮合齿面持续的相对滚滑运动，局部焊合金属会被无规则地撕裂，从而造成齿面材料的脱落，如图5所示。

图5 裂源处齿面胶合形貌

匹配分析:实际采集故障车辆报文(见表3)显示，实际该车匹配最大倒车输入扭矩达到8478Nm，该车桥额定输入扭矩为7567Nm，达到了额定扭矩的112%。

技术协议中规定电机反拖扭矩为额定扭矩的40%，即3026Nm，实际电机制动反拖扭矩高达72%，传统燃油车使用齿轮倒车的频次较少，历史油车齿轮设计方案只关注60%载荷以下的加载啮合印迹。

现匹配电车后，齿轮倒车实际载荷由60%提升至100%，反拖输入扭矩由40%提升至70%，可见对螺旋锥齿轮副的考验加大。

表3 实车扭矩采集数据 单位：Nm

啮合印迹分析:传统燃油车螺旋锥齿轮反车工况加载啮合印迹仅进行至60%载荷，其大小端啮合印迹均未脱出，如图6所示。

匹配电车以后，加载啮合印迹已不能按照传统燃油车倒车加载啮合印迹做到60%停止，而应进行至100%，根据Kimos计算结果，在倒车面100%的情况下，啮合印迹从小端脱出，最大接触应力达到2490MPa。

载荷越大，最大接触区越靠近齿顶，如图7所示。再叠加反拖扭矩大的原因，使靠近啮合下沿区域出现了胶合带。

齿根附近长时间高温更容易使螺旋锥齿轮啮合界面润滑失效，导致初期胶合发生在齿根附近，并沿齿高方向扩展到整个齿面。

图6 60%载荷被动锥齿轮倒车面啮合印迹

图7 100%载荷被动锥齿轮倒车面齿面应力分布

  结论与建议

针对电动重卡螺旋锥齿轮打齿现象，通过断口形貌分析和齿面微观分析等，形成结论如下：

1）主机厂电机反拖扭矩偏大，按照实际工况，啮合印记应按照100%进行加载。

2）反拖扭矩越大，啮合印迹越靠近小端。加载100%载荷后，小端会脱出。随着扭矩的增大，最大应力区向齿顶转移，这是造成靠小端齿顶压溃打齿的主要原因。

3）由于大扭矩和较高滑移速度，靠近齿根部分先出现胶合及点蚀疲劳带，减小了齿轮厚度和刚度，大扭矩下小端齿顶应力大，导致齿轮倒车面齿顶、源于小端出现打齿。

随着商用电动重卡的应力领域逐渐增大，传统的螺旋锥齿轮设计方案已无法匹配电动重卡的应用工况。

为应对这种情况，主机厂需优化动力系统的扭矩切换及扭矩设计策略，同时，在螺旋锥齿轮方面，还应进行设计强化，主要措施有：通过齿轮宏观设计及微观修形，优化啮合印迹， 降低齿轮胶合安全系数；提高齿轮油抗胶合能力。

参考文献：略

作者简介：田婧(1992－)，女，工程师，研究方向为齿轮材料及表面处理、失效分析等技术与改进。