机动车驾驶中齿轮失效的原因及对策

张德强 陈峰

摘要：机动车齿轮失效是机械故障中最为常见的形式。本文主要介绍机动车齿轮常见的几种失效形式及形成原因，并对如何避免和减少这类故障进行了简要探讨。

关键词：机动车；齿轮失效；原因；措施；使用寿命；经济负担

随着我国工业化的发展和人们生活水平的提高，机动车作为货物运输和人们工作生活的代步工具，在经济发展和生活应用中的地位显得越来越重要。根据国内最近有关的报道，我国各类汽车的数量已接近一亿。轿车正在快速进入家庭，客货运输车辆也在以较快的速度迅猛发展。人们在感受机动车给我们的工作、生活带来许多便利的同时，一个不容忽视的问题也给我们带来了烦恼和经济负担。据日本新日铁会社的统计，因机动车齿轮箱故障造成的机械损坏占机器总故障次数的10.3%左右，1956-1986年，在美国导致人员伤亡或飞机损坏的直升机重大事故中，齿轮箱作为最主要的故障源占22%。可见机动车驾驶中对齿轮箱的维护和保养已成为一个不可忽视的问题。

齿轮作为齿轮箱中最主要的零部件，承担着传递运动和功率的重要作用，但是由于各种原因造成的齿轮失效在齿轮箱的故障中最为常见。为了减少此类故障给驾驶者带来的不必要的麻烦和经济负担，在使用中应正确操作，妥善维护和保养，否则会减少齿轮使用寿命，甚至会突然发生因齿轮失效而带来的故障，影响工作和使用。对于齿轮传动，一般地说，齿轮失效主要是轮齿的失效，而轮齿的失效又多种多样，但常见的主要有几种。下面就机动车驾驶中，因操作和维护不当等原因造成的这几种齿轮失效带来的故障进行探讨，并提出相应的改进措施，以便于读者参考。

一、避免冲击过载，防止齿轮折断

在正常情况下，齿轮处于工作状态时，轮齿就像一根一端固定，另一端自由的悬臂梁，当齿轮啮合时，轮齿会产生弯曲应力，根部最大，且为交变应力。单侧受载时，应力按脉动变化，双侧受载时，应力为对称循环变化，再加上齿根过渡部分的截面突变，以及加工刀痕等引起的应力集中作用，当工作应力值超过材料的弯曲疲劳极限时，齿根处将产生疲劳裂纹，逐步扩展，导致轮齿疲劳折断，这是齿轮轮齿折断的主要因素。此外，在轮齿受到突然过载时，也可能出现过载折断或剪断，在轮齿严重磨损后，齿厚变得过薄，也会因强度不够而折断。因此，为了防止轮齿折断，应首先避免和减少轮齿过载，其次是保持轮齿良好的润滑，减小齿面间磨损。这就要求操作者在正常的情况下，不随意施加载荷，如机动车驾驶中起步时突然加速（高档起步）或严重超载货物，使轮齿超负荷工作，且时间过长，造成轮齿所受冲击力过大，弯曲应力超过极限，导致轮齿折断。

二、建立良好润滑，减小齿面磨损

无论开式或闭式齿轮传动，由于啮合齿轮的齿面间存在有相对滑动，产生摩擦是不可避免的，因此由齿面磨损造成的齿轮失效引起的故障也是一种最常见形式。具体的说，就是在齿轮啮合过程中，若有金属微粒，砂粒，灰尘落入齿面间，磨损会加剧，使齿形破坏，侧隙加大，引起冲击振动，严重时，齿厚减薄，最终因轮齿弯曲强度不够而导致断裂。当然，新齿轮处于跑合期时，发生的跑合性磨损可以降低齿面的表面粗糙度，对于传动是有利的，但是过了跑合期后，就要设法减小磨损了。这就要求操作者应尽可能的改进齿轮的工作条件，以建立齿轮良好的润滑，减小磨损，提高齿轮的使用寿命。其措施是：当条件允许的情况下，尽可能采用闭式传动;按要求使用规定的润滑油，并及时更新，防止润滑油变质失效；禁止齿轮在无润滑油的条件下工作，做到定期维护和保养。

三、适当提高润滑油粘度，减缓齿面点蚀

闭式齿轮传动中，即使在润滑条件良好的情况下，也常常会出现因齿面点蚀而造成齿轮失效的故障。究其原因是，轮齿在啮合过程中，齿面间的相对滑动起着形成润滑油膜的作用，而且相对滑动速度愈高，愈易在齿面间形成油膜，润滑也愈好。但是，当轮齿在靠近节线处啮合时，同时啮合轮齿对数较少，且轮齿间相对滑动速度低，形成油膜的条件差，润滑不良，摩擦力较大，加上啮合处接触应力过大，脱离啮合时，接触应力瞬间消失，轮廓工作面某一固定点（节线附近）的接触应力呈脉动变化；当工作状态下的接触应力超过材料的接触疲劳极限时，齿面产生裂纹，并逐步扩展，导致轮齿工作表面金属微粒脱落，形成小麻点，造成齿面点蚀。为了提高轮齿抗点蚀的能力，机械设计中，一般是利用增加齿轮材料的硬度，以保证齿面有足够的接触强度和降低轮齿表面粗糙度的方法来减缓点蚀的。但在机动车驾驶中，为了减少齿轮传动中产生的齿面点蚀现象，我们也可以采用适当增加润滑油的粘度的方法来获得。因为润滑油不仅可以减小摩擦，减缓点蚀，而且实验证明，在速度不太高（圆周速度不大于12米/秒）的齿轮传动中，在合理的限度内，润滑油的粘度越高，上述效果越好。

四、限制油温和选用合成润滑油，防止齿面胶合

高速重载的齿轮传动中，由于齿面间的压力大，瞬时温度高，会使齿面上的油膜破裂。如果润滑效果差，瞬时温度过高，相啮合的两齿面局部金属会发生类似焊接一样相互粘连在一起的现象，当齿轮继续转动时，两齿面又作相对滑动，相粘结的部分即被撕裂下来，在齿面沿滑动方向上出现条状伤痕，称为齿面胶合。当然，在低速重载的齿轮传动中，由于传动轮齿间的油膜遭到破坏，或传动表面不易产生油膜，也会发生齿面胶合。严重时齿廓遭到破坏，形成失效，影响工作。为了防止齿面胶合的发生，齿轮设计中通常采用提高齿面硬度，降低齿面粗糙度等方法来避免。机动车使用中，特别是载重吨位较大的重型车辆，建议不要超载，避免发动机齿轮箱齿轮长期超负荷运行，齿面间压力过大，润滑油温度过高，以致形成齿面胶合。另外，还可以间歇发动机工作以限制油温，或增加润滑油粘度，选用加有抗胶合剂的合成润滑油等方法，防止或减轻齿面胶合，达到延长齿轮使用寿命的目的。

五、减少频繁过载，防止齿面塑性变形

在齿轮传动中，齿面塑性变形属于永久变形的失效形式，它是由于在过大应力作用下，轮齿材料处于屈服状态而产生的齿面或齿体塑性流动所形成的。该现象一般发生在硬度较低的轮齿齿面上，但在过重载荷下，硬度较高的齿面上也会发生。齿面塑性变形分为滚压塑变和锤击塑变，且形成原因并不相同。滚压塑变是由于啮合时轮齿间相互滚压与滑动引起材料塑性流动而形成的，当轮齿材料较软载荷较大时，轮齿表面将沿着摩擦力方向发生塑性变形，从而导致主动轮齿面节线处出现凹沟，从动轮齿面节线处出现凸棱的现象，称为滚压塑变。锤击塑变则是伴有过大的冲击力而形成的塑性变形，它所形成的破坏是齿面上出现线的沟槽，且沟槽的取向与啮合轮齿的接触线方向一致。轮齿塑性变形过大会产生振动、噪音，甚至会发生断裂失效。因此，防止齿面塑性变形的措施是在设计中提高轮齿齿面硬度。在机动车驾驶中，应提高润滑油的粘度或采用加有极压添加剂的润滑油来减缓，对于低速重载的机动车，应避免超载货物以防止应力过大，变形过大，对于高速重载的机动车，应尽量减少频繁的突然增减速度，以避免载荷过大，惯性过大，冲击力过大，使轮齿过载频繁，以致形成永久塑性变形，造成齿轮失效。

总之，只要我们在机动车驾驶中，做到正确操作和使用，妥善维护和保养，就能够将因齿轮失效而引起的故障减少到最低程度，从而达到延长机动车使用寿命，减轻经济负担的目的。■

参考文献

（1）濮良贵 纪名刚 《机械设计》高等教育出版社

（2）侯长来《机械设计基础》 冶金工业出版社

（3）杨国安 《齿轮故障诊断实用技术》中国石化出版社

（4）吴文琳 《汽车驾驶从入门到精通》机械工业出版社