关于机械传动齿轮失效问题的探讨

唐建

（沈阳华科技贸有限责任公司，辽宁 沈阳 110168）

一、机械传动齿轮特性

第一，效率高。在机械传动中，齿轮传动效率最佳，大约可达 99%，因此齿轮传动在机械应用中备受青睐。第二，节约空间。齿轮传动链与齿轮传动带间需要的空间非常小，结构十分紧凑，有效节省了齿轮占据的空间位置。第三，传动比稳定。传动比相对稳定，其是确保机械齿轮稳定传动的重要保证，同时也是齿轮传动应用的基础性要求。第四。使用寿命长。机械齿轮在设计制造时，对精确度要求比较高，做工也非常精密，以此有效保障了齿轮的使用寿命。

二、机械传动齿轮失效形式

（一）轮齿折断

通常齿轮折断主要分为两种情况，其一疲劳性折断，齿轮传动时，轮齿受力较大，在受载时，齿根生成强大弯曲应力，齿轮工作在交变弯曲应力作用下，在持续一定时间段之后，齿轮濒临疲劳极限状态，齿根圆角区域发生裂缝，随着应力不断加大，裂缝也逐渐扩大，最终由于齿轮疲劳折断。其二，过载折断，在齿轮运转时，受冲击载荷、过载作用，安装精确性不足等影响，齿轮局部受载过重，都会造成过载折断现象。与疲劳折断不同，其断口的位置并非固定状态，并且端面十分粗糙。

（二）齿面磨粒磨损

在润滑不足或处于开式传动时，外界的灰尘杂质就会进入啮合区域内，使得材料被磨损，造成严重损失，即齿面磨粒磨损。在齿面磨粒磨损时，沿着滑动速度方向，会渐渐形成平行状态下的线道滑痕。

（三）齿面塑性变形

齿面在低速、重载的运行状态下，受化工摩擦力与齿面应力双重影响，造成齿面材料发生塑性流动现象，也就是齿面塑性变形。变形的方向与滑动方向相一致，处于彼此平行状态。因为滑动摩擦力通过主动轮齿滑动方向与节线背道而行，所以，主动轮齿齿面塑性变形主要通过齿顶构成飞边，在节线周围生成沟谷，从动轮与其处于相反状态。

（四）齿面胶合

齿轮在低速重负荷功率比较大，或运转速度比较快的情况下，由于轮齿表层温度过高，或者轮齿接触面压力比较大，导致润滑油膜发生严重破损，进而形成齿面直接接触，这样一来，便会发生干摩擦与半干摩擦。在摩擦时，温度也会逐渐上升，轮齿部分区域表层便会出现熔焊，朝着运作方向不断撕开，生成裂纹，此时齿轮表层便会不断移动，即所谓的齿面胶合，包含冷胶合与热胶合两种不同类型。

三、机械传动齿轮失效的控制措施

（一）优化选材

就齿轮工艺性能要求、韧性、强度要求等，进行全面充分考虑，选择齿轮所需材料。当前，使用最频繁的、最常见的是低碳合金渗碳钢，其含碳量相对较低，可以强化钢的淬透性、耐磨性。因此，可选择冶金质量比较好的电渣重熔合金钢或者是真空脱气精炼钢，这主要是由于此中类型材料的纯度比较高，氧、氮或非金属杂质含量偏少，致密度相对较高，韧性与塑性也非常强，能够有效减少机械性能与各向异性。

（二）优化加工工艺

在机械齿轮加工时，需要分开粗齿轮与精齿轮，还必须利用滚刀粗切齿轮后，再精滚，深度应保持一个百分比，只有这样，才可以达到最佳精准度，深度误差也需要保持在0 左右，精滚后，误差大约在0.03mm。精确度需保持于九级上，粗糙程度也应根据设计标准开展。可以在磨齿以后进行振动抛光或者电抛光，从而保证表面粗糙度。通过齿形修缘、齿面修形、圆弧齿等相关技术，减轻甚至是消除啮合偏载与干涉，大大降低齿根应力集中，增加齿轮弹性柔韧度。针对齿形进行剃齿、研齿、磨齿等相关修饰，可提高大约 15-25%的接触极限应力。同时针对轮齿进行纵向修形，即修齿腹，可有效延长齿轮使用寿命，减少大约1/5 弯曲应力，还能降低噪声污染。在切齿刀具硬度高于工件硬度大约2-5 倍，耐磨性和韧性较好时，切削效果处于最佳状态。一般通过刮削法、磨削法，加工硬齿面齿轮，而齿胚需要反复进行切削加工和热处理。

（三）优化润滑工艺

机械齿轮形成磨损性失效和润滑之间相分离，多数低速重载性齿轮的触动应力比较高，所以，机械齿轮接触面使用材料弹性十分关键。机械齿轮契合加工时，除切点外，其他都属于滚滑式运动，这一特性与弹性流体动力润滑理论相符，其最大特性是机械齿轮表层局部弹性变形量，明显比基于刚性边界计算的油膜厚度要高。在机械齿轮润滑参数设计过程中，可依据这一规律特性和实际需求，选择最合适的润滑油。

（四）优化热处理工艺

通常来说，机械齿轮承载力不只受表层硬度影响，还会受表层不断向芯部过渡的剪切强度性与剪应力比值影响，实际比值不能超过 0.55。机械齿轮硬化处理的主要方式是深层渗性碳淬火法，可获得比较充分的硬化层深度，较高的芯部硬度，过渡区域比较小的残余拉力等等。齿面含碳量一般需要严格控制在 0.8-1%之间，从齿面到芯部硬度的梯度需保持在缓和形态。在通过回火与淬火加工之后，渗碳齿轮表面硬度可以达到HRC58-62，如果想要全面消除机械齿轮表层的残余应力，必须重视热处理工艺的进一步优化，合理利用氮碳共渗法等新型加工工艺，氮的实际渗入深度一般应严格控制于0.2mm 以内，可形成既定压应力，表面可发挥较好的硬化作用。在热处理工艺工序完成之后，需要进行油浴人工化时效性有效加工与处理。

四、结语

综上所述，在机械运行过程中，传动齿轮发挥着重要性作用，其是机器传输能量的重要环节，齿轮可以保持正常运行的状态，是确保机器正常运行的关键基础。技术人员应按时对传动齿轮进行失效诊断，并就具体状况采取相应的诊断方式方法，并把齿轮失效检测贯穿于整个工作过程中，基于齿轮材料、设计、加工、润滑、使用全部阶段，逐层严格把控，以有效保障齿轮的耐久性。