齿轮失效的几种形式

李奕晓

(永城职业学院，476600)

齿轮失效的几种形式

李奕晓

(永城职业学院，476600)

齿轮的损伤和失效一般可分为轮齿折断、齿面点蚀、齿面磨损、齿面胶合、齿面塑性变形几种形式，本文分析了齿轮失效的原因，提出了针对措施。

齿轮失效 轮齿折断 齿面损伤

在机械传动的几种方式中，齿轮传动是其中的重要组成部分，齿轮传动在机械设备中应用极为广泛。齿轮是一种容易出现故障的传动零件，在各种机械故障中，齿轮失效占有很大比重。机械设备一旦出现问题，产品的生产、质量将会受到影响。因此，只有通过研究齿轮失效形成机理，制定有效的预防方案，才能杜绝或减轻齿轮失效，保证设备的正常运行。轮齿的损伤和失效，一般分为两种形式:轮齿折断和齿面损伤。轮齿折断有疲劳折断和过载折断两种形式；齿面损伤有点蚀、磨损、胶合和塑性变形。下面对各种失效形式进行分析。

一、轮齿折断

一个或者多个齿的整体断裂或者局部断裂称为轮齿折断，它经常在齿根部位发生。

1、疲劳折断。在齿根处弯曲应力和齿根过渡圆角的应力集中这两个因素的作用下，交变应力重复作用在轮齿上，疲劳裂纹会产生在齿根圆角拉抻侧，疲劳裂纹的加深最终会导致弯曲疲劳折断。轮齿产生疲劳折断的因素主要有以下几个：材料本身的缺陷、齿根圆圆角半径小、齿根表面过于粗糙、热处理过程形成的微小裂纹、磨削烧伤、传动时的过量动载荷及其他有害残余应力。

2、过载折断。过载折断一般是短时意外的严重过载和冲击载荷形成的，这个突然的力超过了轮齿的极限应力。过大的动载荷、严重集中的载荷、失效的传动件、受损的轴承、进入啮合处的大体积坚硬物都会引起轮齿过载折断。为了提高轮齿的抗过载折断的能力。我们可以采用以下措施：通过使用正变位齿轮提升齿根部位的厚度；适当增大模数；改善材料性能；增大齿根圆角半径；消除齿根加工刀痕；采用强化处理对齿根进行喷丸、辗压等。除此以外，在计算强度时候，应让许用弯曲应力大于或者等于齿根弯曲应力。

二、齿面损伤

1、齿面点蚀

在轮齿工作时，一种脉动循环变化的接触应力在轮齿的啮合处形成，这种接触应力会反复作用，将出现在轮齿表面的微小疲劳裂纹不断扩展加深。疲劳裂纹的扩展使轮齿齿面的金属脱落形成麻点形状的小坑，这种东西被称为齿面疲劳点蚀，简称点蚀。轮齿齿面产生点蚀后，轮齿齿廓被破坏，这会恶化传动性能，造成机器设备的振动和噪声增大。

一对齿轮在节线部位啮合时，由于这个时候啮合的齿比较少，齿间的表面接触应力很大；在节线附近啮合的齿轮齿面滑动速度比较小而且滑动方向发生变化，这造成齿面间不易形成油膜，增大了摩擦力。由于以上两个原因，点蚀容易发生在节线附近的齿根表面上，其次再向其他地方扩展。

齿面强度小于350HBS的软齿面的闭式齿轮传动经常发生齿面点蚀。在载荷小的时候，齿面会出现小麻点，这是由于工作初期轮齿表面接触不良造成局部应力过高引起的。但是经过一断时间的跑合后，接触状态又变好，趋于均匀，以上产生的麻点不再扩张甚至消失，这种点蚀成为早期点蚀。若在足够大的载荷作用下，则会造成点蚀不断扩展而演变成破坏性的点蚀。在这个时候，一般都会带有振动和噪声，严重时候导致齿轮失效。

齿面强度大于350HBS的硬齿面接触强度高，高的强度可以抵抗点蚀。不过万一出现点蚀，由于齿面很硬造成点蚀不易跑和，而且材料的脆性大，点蚀坑的边缘不易改善接触状态而且继续碎裂成破坏性点蚀。

在开放式齿轮传动中，由于密封不好，轮齿会受到一些杂物的影响，例如灰砂、金属屑等。这造成了轮齿齿面磨损很快，迅速磨掉齿面表面和次表面上产生的很小的疲劳裂纹，不会造成点蚀。

预防轮齿的疲劳点蚀可采用以下几种措施：①增大轮齿齿面的硬度；②减少轮齿齿面的粗糙度；③增大润滑油的粘度；④使用合适的变位系数。

为了防止齿面过早产生疲劳点蚀，在计算强度时候，应让许用接触应力大于齿面节线处的接触应力。

2、齿面磨损

在齿轮啮合过程中，齿轮接触面在摩擦力的作用下，材料发生损耗，这种现象称为齿面磨损。

齿轮啮合过程中，起着磨料作用的外部颗粒，在工作齿间引起磨料磨损。磨料可以是齿轮和轴承等零件因损伤产生的颗粒、焊接飞溅物、氧化皮、锈蚀物、型砂和其他类似的金属物和非金属物。新齿轮装置跑合后没有清洗和润滑油污染会造成齿面磨损。

在磨料磨损的作用下，齿廓失去准确的渐开线形状，然后开始振动、冲击和噪声，最后轮齿磨薄到一定程度引起轮齿断裂，这是开式齿轮的齿面磨损形式。

提高轮齿耐磨料磨损能力的方法主要有几下几种：①改善润滑和密封条件；②提高齿轮表面质量； ③在装配时保持清洁；④适当增加齿面硬度，并注意硬度要合理配对。

3、齿面胶合

轮齿严重的粘着磨损被称为胶合。胶合分为冷胶合和热胶合。

低速重载荷齿轮传动中会产生冷胶合。形成原因是局部齿面啮合处有过大的压力，油膜在低速下不易形成，轮齿接触面间的表面膜被刺破而发生粘着，冷粘着一般没有很大的摩擦热。

热胶合主要发生在高速度重载荷的齿轮传动中，润滑油在高速度、齿面高压力的联合作用下，极易被甩出，这将导致齿面油膜破裂，啮合处产生大量的热量，造成局部温度快速升高，两齿面间接触点处的金属融化焊接在一起。

预防和缓解齿面胶合的方法主要有下面几种：①通过减小模数，降低齿高，来减小齿面的相对滑动速度；②减小齿面粗糙度；③通过采用变位和修形齿轮，提高接触精度；④增大齿面硬度。

4、齿面塑性变形

在一定条件下，例如轮齿材料硬度小、应力大，由于屈服的作用，轮齿材料会发生塑性流动，随后轮齿齿面发生塑性变形，这将导致齿面发生变化，失去正确的形状。

为了减轻和预防齿面塑性变形，我们可以从以下几个方面进行针对改进：①在一定的条件下，努力提高轮齿齿面的硬度；②合适的润滑油可以减轻轮齿齿面塑性变形，可以采用粘度较高、油性较好、添加减摩添加剂。

以上是齿轮失效的几种形式，一般情况下，齿轮会同时遇到多种失效形式，我们在考虑时，应该综合考虑，分析哪一种占主导作用，然后再校核其他失效形式。

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