齿轮传动的失效分析)

一般来说，齿轮传动的失效主要发生在轮齿上。轮齿部分的失效形式分为两大类：轮齿折断，齿面失效。 1. 轮齿折断

折断失效通常有轮齿的弯曲疲劳折断、过载折断和随机折断。

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疲劳折断：工作时轮齿反复受载，使得齿根处产生疲劳裂纹，并逐步扩展以至轮齿折断的失效。疲劳裂纹多起源于齿根受拉的一侧。 过载折断：齿轮受到突然过载，或经严重磨损后齿厚减薄时，轮齿会发生过载折断。

随机折断：通常是指由于轮齿缺陷、点蚀或其它应力集中源在轮齿某部位形成过高应力集中而引起轮齿折断。断裂部位随缺陷或过高有害残余应力的位置而定，与齿根圆角半径无关。

轮齿折断的形式有整体折断和局部折断。整体折断多发生于直齿轮，局部折断多发生于斜齿和人字齿轮，齿宽较大的直齿轮和由于安装、制造因素使得局部受载过大的直齿轮，也可能发生局部折断。疲劳折断的断口较光滑，过载折断的断口则较粗糙。

增大齿根过渡圆角半径，减小齿面粗糙度，对齿根进行喷丸或碾压强化处理消除该处的加工刀痕，选用韧性较好的材料，采用合理的变位等，均有助于提高轮齿的抗折断能力。

通常，轮齿疲劳折断是闭式硬齿面齿轮传动的主要失效形式。

2. 齿面失效

齿面失效常见的失效形式有：点蚀、胶合、齿面磨损和齿面塑性变形。 (1) 点蚀

齿轮在啮合过程中，相互接触的齿面受到周期性变化的接触应力的作用。若齿面接触应力超出材料的接触疲劳极限时，在载荷的多次重复作用下，齿面会产生细微的疲劳裂纹；封闭在裂纹中的润滑油的挤压作用使裂纹扩大，最后导致表层小片状剥落而形成麻点，这种疲劳磨损现象，齿轮传动中称为点蚀（图9.3-13）。节线靠近齿根的部位最先产生点蚀。润滑油的粘度对点蚀的扩展影响很大，点蚀将影响传动的平稳性并产生冲击、振动和噪音，引起传动失效。

∙ 点蚀又分为收敛性点蚀和扩展性点蚀。收敛性点蚀指新齿轮在短期工作后出现点蚀痕迹，继续工作后不再发展或反而消失的点蚀现象。收敛性点蚀只发生在软齿面上，一般对齿轮工作影响不大。扩展性点蚀指随着工作时间的延长而继续扩展的点蚀现象，常在软齿面轮齿经跑合后，接触应力高于接触疲劳极限时发生。硬齿面齿轮由于材料的脆性，凹坑边缘不易被碾平，而是继续碎裂成为大凹坑，所以只发生扩展性点蚀。严重的扩展性点蚀能使齿轮在很短的时间内报废。

∙ 提高齿面硬度和降低表面粗糙度，在许可的范围内增大相互啮合齿轮的综合曲率半径，采用粘度较高的润滑油等，有助于提高齿轮的抗点蚀能力。

(2) 齿面胶合

齿面胶合是指在重载或高速传动时，齿面局部金属焊接继而又因相对滑动，其齿面的金属从其表面被撕落，轮齿表面沿滑动方向出现粗糙沟痕的现象。

∙ 在高速重载情况下工作的齿轮，由于其滑动速度大而导致瞬时温度过高，使油膜破裂而产生粘焊，从而引起的胶合称为热胶合。在低速重载情况下，由于齿面应力过大，相对速度低，油膜不易形成，使接触处产生了局部高温而发生的胶合，称为冷胶合。胶合从程度上可分为轻微胶合、中等胶合和破坏胶合。轻微胶合需要借助于显微镜才能见其粘着痕迹；中等胶合的条纹细浅，肉眼可见；破坏胶合沿齿廓相对滑动方向呈明显的粘撕沟痕，整个齿面明显发生材料移失现象，振动噪音增大，齿轮迅速失效，严重时发产咬死。

∙ 提高齿面硬度，降低表面粗糙度，采用有抗胶合添加剂的润滑油，采取有效冷却，选用合理变位，减小模数和齿高来降低滑动速度，选用抗胶合性能好的材料等，有助于提高齿轮的抗胶合能力。

(3) 齿面磨损

齿轮传动在工作时，齿廓表面在啮合中存在着相对滑动，齿面由此产生摩擦导致齿面磨损。齿面磨损常见的具体形式包括：磨粒磨损、低速磨损和腐蚀磨损。当金属微粒、灰尘、异物等落入相啮合的齿面之间，它们将起到磨料的作用从而引起齿面磨粒磨损。磨粒磨损是开式齿轮传动最常见的失效；闭式传动新齿轮在磨合后未予清洗或密封不良等导致润滑油污染时，也会引起磨粒磨损。当齿轮圆周速度过低时（〈0.5m/s〉，相啮合齿面间的弹性流体动力膜厚很小，会引起齿面材料的连续性磨损，称为低速磨损，它通常发生在低速传动中。润滑油中的一些活性成分会和齿轮材料发生化学与电化学作用引起腐蚀磨损。

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齿面磨损造成齿厚减薄，齿廓形状破坏，啮合侧隙增大，导致振动、噪音和冲击，严重时会使得齿轮因强度不足而折断。

齿轮工作过程中，保持清洁，适时更换润滑油，采用合适的密封和润滑装置，改善润滑方式，选用粘度较高的润滑剂和合适的极压添加剂，选用合适的材料等，有助于减轻齿面的磨损。

(4) 齿面塑性变形

由于载荷和摩擦力过大，齿面材料在啮合过程中，产生塑性流动从而造成齿面形状损坏，齿面塑性变形。一般发生在软齿面齿轮上。

∙ 由于主动轮齿齿面上所受到的摩擦力背离节线，分别朝向齿顶和齿根作用，因此产生塑性变形后，齿面上节线附近就下凹；从动轮轮齿表面所受到的摩擦力则分别由齿顶及齿根朝向节线作用，产生塑性变形之后，齿面上节线附近就上凸。这种失效常在低速重载、频繁起动和过载传动中出现。减小接触应力，适当提高齿面硬度，提高润滑油的粘度等，有助于减轻和防止齿面塑性变形。

∙ 此外，齿轮传动中，由于安装及制造误差过大、材料缺陷、磨削烧伤和裂纹、表面处理不当等原因，也会造成多种失效。加强原材料和成品检验、控制加工和安装质量，改进热处理工艺，对有效的减少齿轮失效，提高齿轮强度具有重要的意义。

3. 设计计算准则

目前设计一般使用条件的齿轮传动时，通常按保证齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度两准则计算。对于高速大功率的齿轮传动，进行胶合能力的计算。

工程实践中，一般推荐采用以下的设计计算准则。 闭式齿轮传动：

开式齿轮传动：

主要的失效形式为弯曲疲劳折断和磨粒磨损。按弯曲疲劳强度进行计算，算得的模数增大10~15%来考虑磨损影响，由于磨损速度大大超过齿面疲劳裂纹扩展速度，故不需进行接触疲劳强度计算。 齿轮传动中有短时过载的，均需进行静强度计算。