齿轮轮齿的失效形式

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齿轮传动的失效主要是轮齿的失效，而轮齿的失效形式又多种多样b...b

常见的齿轮传动失效有那些形式齿轮传动的失效主要是轮齿的失效，而轮齿的失效形式又多种多样，较为常见的是下面叙述的五种失效形式。

齿轮的其它部分（如齿圈、轮辐、轮毂等），除了对齿轮的质量大小需加严格限制外，通常只需按经验设计，所定的尺寸对强度及刚度均较富裕，实践中也极少失效。

1、轮齿折断轮齿折断有多种形式，在正常情况下，主要是齿根弯曲疲劳折断，因为在轮齿受载时，齿根处产生的弯曲应力最大，再加上齿根过渡部分的截面突变及加工刀痕等引起的应力集中作用，当轮齿重复受载后，齿根处就会产生疲劳裂纹，并逐步扩展，致使轮齿疲劳折断。

此外，在轮齿受到突然过载时，也可能出现过载折断或剪断；在轮齿受到严重磨损后齿厚过分减薄时，也会在正常载荷作用下发生折断。

在斜齿圆柱齿轮传动中，轮齿工作面上的接触线为一斜线，轮齿受载后，如有载荷集中时，就会发生局部折断。

若制造或安装不良或轴的弯曲变形过大，轮齿局部受载过大时，即使是直齿圆柱齿轮，也会发生局部折断。

为了提高齿轮的抗折断能力，可采取下列措施：1）用增加齿根过渡圆角半径及消除加工刀痕的方法来减小齿根应力集中；2）增大轴及支承的刚性，使轮齿接触线上受载较为均匀；3）采用合适的热处理方法使齿芯材料具有足够的韧性；4）采用喷丸、滚压等工艺措施对齿根表层进行强化处理。

2、齿面磨损在齿轮传动中，齿面随着工作条件的不同会出现不同的磨损形式。

例如当啮合齿面间落入磨料性物质（如砂粒、铁屑等）时，齿面即被逐渐磨损而至报废。

这种磨损称为磨粒磨损。

它是开式齿轮传动的主要形式之一。

改用闭式齿轮传动是避免齿面磨粒磨损最有效的方法3、齿面点蚀蚀是齿面疲劳损伤的现象之一。

在润滑良好的闭式齿轮传动中，常见的齿面失效形式多为点蚀。

所谓点蚀就是齿面材料变化着的接触应力作用下，由于疲劳而产生的麻点状损伤现象。

齿面上最初出现的点蚀仅为针尖大小的麻点，如工作条件未加改善，麻点就会逐渐扩大，甚至数点连成一片，最后形成了明显的齿面损伤。

轮齿的失效形式

例10.1 轮齿的失效形式有哪些？闭式和开式传动的失效形式有哪些不同？答轮齿的主要失效形式有轮齿折断和齿面损坏两类。

轮齿折断有疲劳折断和过载折断两种形式。

齿面失效主要有疲劳点蚀、磨损、胶合和塑性变形。

一般情况下，若设计正确、润滑良好，闭式软齿面轮齿的主要失效形式是疲劳点蚀。

闭式硬齿面的主要失效形式是弯曲疲劳折断。

高速大功率闭式传动主要出现点蚀和胶合。

开式齿轮传动的主要失效形式是磨损。

例10.2 齿轮传动中为何两轮齿面要有一定的硬度差？答齿轮传动中，小齿轮齿面硬度比大齿轮大一些、一般要大。

这是由于：① 小齿轮的齿根厚度小于大齿轮；② 若软硬齿面配对啮合，因冷作硬化，可提高齿面的接触疲劳强度； ③ 小齿轮的应力循环次数比的大齿轮多； ④ 提高啮合性能。

例10.3 要提高轮齿的抗弯疲劳强度和齿面抗点蚀能力有哪些可能的措施？答提高轮齿的抗弯疲劳强度的措施有：增大齿根过渡圆角半径，消除加工刀痕，可降低齿根应力集中；增大轴和支承的刚度，可减小齿面局部受载；采取合适的热处理方法使轮芯部具有足够繁荣韧性；在齿根部进行喷丸、滚压等表面强度处理，降低齿轮表面粗糙度；齿轮采用正变位等。

提高齿面抗点蚀能力的措施有：提高齿面硬度；降低表面粗糙度；增大润滑油粘度；提高加工、安装精度以减小动载荷；在许可范围内采取较大变位系数的正传动，可增大齿轮传动的综合曲率半径。

例10.4 设计铣床的圆柱齿轮传动，已确定7.5P KW =, 11450min n r =,126z =, 254z =, 寿命12000h L h =，小齿轮相对其轴的支承为不对称布置。

解（1）选择轮齿的材料和精度等级。

由教材表10—1可知，大小齿轮材料均为45号钢调质。

小齿轮齿面硬度为250HBS ，大齿轮齿面硬度为220HBS 。

（2）按齿面接触疲劳强度设计。

1）小齿轮传递的转矩661117.59.55109.5510493971450P T N mm n =⨯=⨯⨯=⋅ 2）初选载荷系数：初选 1.8t K =3）确定齿宽系数：小齿轮作不对称布置，据教材表10—7选取 1.0d ϕ= 4）确定弹性影响系数：据教材表10—6查得189.8E Z MPa =5）确定区域载荷系数：按标准直齿圆柱齿轮传动设计 2.5H Z = 6）齿数比：2154 2.0826Z u Z === 7）确定接触许用应力：循环次数91160601450112000 1.0410h N n jL ==⨯⨯⨯=⨯ 822606014502654112000 5.0310h N n jL ==⨯⨯⨯⨯=⨯查教材图10—19曲线1得1 1.0HN K = ，2 1.05HN K = 查教材图10—21（d ）得lim1600H MPa σ= ， l i m 2570H MPa σ=取安全系数 1.0H S =[]1lim11 1.06006001.0HN H H H K MPa S σσ⨯=== []2lim22 1.055705991.0HN H H H K MPa S σσ⨯===8）由接触强度计算小齿轮的分度圆直径[]2213311 1.849397 2.081189.82.32 2.3254.91.0 2.08599E t d H KT Z u d mm u ϕσ⎛⎫+⨯+⎛⎫≥⋅=⋅= ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ 9）验算载荷系数：齿轮的使用系数：载荷状况以轻微冲击为依据查教材表10—2得 1.25A K = 齿轮的圆周速度113.1454.914504.2601000601000t d n v m s π⨯⨯===⨯⨯由教材图10—8查得： 1.12V K =对于软齿面齿轮，假设100A t K F b N mm <，由教材表10—3查得：1.2H F K K αα==齿宽：1 1.054.954.9d t b d ϕ==⨯= 齿宽与齿高比1154.911.52.25 2.25 2.2554.926t t b b b h m d z ====⨯由教材表10—4查得 1.32H K β=，由教材图10—13查得： 1.28F K β= 接触强度载荷系数：1.25 1.12 1.2 1.322.22A V H H K K K K K αβ==⨯⨯⨯=10）校正直径：331154.9 2.221.858.9t t d d K K mm ===1158.9 2.2726d m mm z === 取标准值 2.5m mm =。

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。

•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。

齿轮失效常见的形式及预防措施

1.5 塑性变形齿⾯塑性变形主要出现在低速重载、频繁启动和过载的场合。

当齿⾯的⼯作应⼒超过材料的屈服极限时，齿⾯产⽣塑性流动，从⽽引起主动轮齿⾯节线处产⽣凹槽，从动轮出现凸脊。

此失效多发⽣在⾮硬⾯轮齿上，齿轮的齿形严重变形，特别是左右不对称时应更换新件。

上⾯阐述的⼏种主要轮齿失效形式，在⼀般情况下，不仅可以修复，且在不能改变齿轮材料、加⼯⼯艺的条件下通过提前预防来延迟齿轮失效不利情况的发⽣，提⾼齿轮使⽤寿命。

2、预防齿轮失效措施2.1 提⾼齿轮安装精度2.2 合理选材齿轮材料的选择，要根据强度、韧性和⼯艺性能要求，综合考虑。

结合我国实际，宜选⽤低碳合⾦渗碳钢。

对于承受重载和冲击载荷的齿轮，采⽤以Ni-Cr和Ni-Cr-Mo合⾦渗碳钢为主的钢材；对于负载⽐较稳定或功率较⼩，模数较⼩的齿轮，亦可选⽤⽆Ni的Ni-Mn钢。

⽤这种钢材制造的齿轮与普通电炉钢制造的齿轮相⽐，其接触和弯曲疲劳寿命可提⾼3-5倍，齿轮极限载荷可提⾼15%-20%。

2.3 热处理通过热处理⼯艺，可以改善齿轮材质，适当提⾼硬度，消除或减轻齿⾯的局部过载，提⾼齿⾯的抗剥落能⼒。

例，对煤矿机械中的齿轮，深层渗碳淬⽕，可减⼩齿轮硬化，提⾼芯部硬度，较⼩的过渡区残余拉应⼒和充⾜的硬化层深度。

2.4 根据实际情况选择齿轮油据资料显⽰，机械故障的34.4%源于润滑不⾜，19.6%源于润滑不当，换句话说，以54%的机械故障是由于润滑问题所致。

因此，选择好的齿轮油对提⾼齿轮使⽤寿命有重要的意义。

2.5 修复为了确保齿轮的强度和硬度，决定采⽤氩弧焊合⾦焊丝堆焊修复，后⽤磨光机整形处理⽅案，这样焊后的齿轮轮齿少不经热处理达到较⾼的硬度和强度。

通过对齿轮失效形式的分析，可提⾼准确判别设备故障的能⼒，及时解除故障，提⾼经济效益。

齿轮传动的失效形式

③防止措施：防止措施： a合理润滑合理润滑 b提高齿面硬度提高齿面硬度
⑷齿面胶合
①部位：齿面沿相对滑动方向部位：
1 齿轮传动的失效形式
⑴ 轮齿折断 ⑵ 齿面磨损 ⑶ 齿面点蚀 ⑷ 齿面胶合
⑸ 轮齿塑性变形
⑴轮齿折断
①部位：一般发生在齿根部位部位：
②原因：原因： a 轮齿在多次重复载荷作用下，齿根处弯曲拉应力过大，再轮齿在多次重复载荷作用下，齿根处弯曲拉应力过大，加上齿根处易应力集中，从而发生疲劳折断。（疲劳折断）。（疲劳折断加上齿根处易应力集中，从而发生疲劳折断。（疲劳折断） b 短期过载或过大的冲击载荷作用时齿根静强度不足，或轮短期过载或过大的冲击载荷作用时齿根静强度不足，齿磨损后强度削弱正常载荷作用下折断。（过载折断）。（过载折断齿磨损后强度削弱正常载荷作用下折断。（过载折断）
⑵面磨损
①部位：工作面部位：
②原因：原因： a润滑不良润滑不良 b磨料落入工作面磨料落入工作面
防止措施： ③ 防止措施： a 改开式为闭式 b 改善润滑条件 c 提高齿面硬度 d 减小齿面粗糙度
⑶齿面点蚀
①部位：靠近节线的齿根面上部位：
②原因：原因： a 在节线处，一对齿啮合，接触应力大在节线处，一对齿啮合， b 在节线处，相对滑动速度低、不易形成油膜在节线处，相对滑动速度低、
③ 提高轮齿抗疲劳断裂能力的措施：提高轮齿抗疲劳断裂能力的措施： a 适当增大齿根过度圆角半径，消除加度工刀痕，减小适当增大齿根过度圆角半径，消除加度工刀痕，应力集中。应力集中。 b 合理提高齿轮制造精度和安装精度。合理提高齿轮制造精度和安装精度。 c 正确选择材料和热处理工艺，使轮齿芯部材料具有足正确选择材料和热处理工艺，够的韧性。够的韧性。 d 采取喷丸、滚压等措施强化齿根齿面。采取喷丸、滚压等措施强化齿根齿面。 e 考虑传动整体，主要指刚度。增大轴及支承的刚度，考虑传动整体，主要指刚度。增大轴及支承的刚度，使轮齿接触线上受载较为均匀。使轮齿接触线上受载较为均匀。

齿轮失效常见的形式总结

齿轮失效常见的形式
1.齿面点蚀
产生原因与现象：脉动循环的接触应力，超过接触应力时产生疲劳裂纹，裂纹扩展导致金属剥落形成小坑（麻点）。

发生部位与场合：靠近节线的齿根面处，闭式传动。

2.齿面磨损
产生原因与现象：铁屑或者灰尘进入，啮合齿面的相对滑动摩擦而产生磨损，齿形变廋。

发生场合：开式传动。

3.齿面胶合
产生原因与现象：高速重载时散热不好，高速重载时，压力过大，使油膜破坏，低速重载时，不易形成油膜或者局部偏载，造成冷胶合；金属齿面金属直接接触粘接，较软齿面金属沿滑动方向撕下形成沟纹。

发生场合：低速、高速重载齿轮。

4.齿面塑形变形
产生原因与现象：较软齿面的齿轮在频繁启动和严重过载，齿面的工作应力超过材料的屈服极限时，齿轮油膜被破坏，齿面很大的压力和摩擦力的作用使齿轮金属局部塑形变形。

发生场合：较软齿面的齿轮频繁启动与严重过载。

5.轮齿折断
产生原因与现象：疲劳断裂、过载折断、随机折断;
疲劳折断:齿轮在工作过程中，齿根处产生的弯曲应力最大并且集中，当轮齿重复受载后，齿根圆角处就会产生疲劳裂纹，并逐步扩展，致使轮齿疲劳折断轮齿。

过载折断：因短时过载或冲击过载而产生的折断。

发生场合：开式齿轮传动和硬齿面闭式齿轮传动。

发生后果：不能正常转动，甚至造成重大事故。

齿轮的失效形式

齿轮的失效形式齿轮传动是机械设备中最常见的传动方式，现代机械对齿轮传动的要求日益提高，即要求齿轮能在高速、重载、特殊介质等恶劣环境条件下工作，又要求齿轮装置具有较高的平稳性、高可靠性和结构紧凑等良好的工作性能，由此使得齿轮发生故障的因素越来越多，而齿轮异常又是诱发机器故障的重要因素。

因此，齿轮故障诊断技术的应用研究是非常重要的。

齿轮由于制造、操作、维护以及齿轮材料、热处理、运行状态等因素不同，产生异常的形式也不同，齿轮常见的故障形式有如下几种：1、齿的断裂齿的断裂分疲劳断裂和过负荷断裂。

疲劳断裂是齿轮重复受载后由于应力集中产生的。

当齿轮副进入啮合状态时，最危险的瞬间是接触点位于齿轮的顶部，此时在齿根部产生的弯曲应力为最大，存在较严重的应力集中，当载荷超过设计值，或者齿轮在周期性交变载荷作用下，经过一定的载荷循环后，齿的根部有可能产生裂纹。

齿轮继续工作，裂纹向根部纵深发展，当裂纹削弱的根部不能承受弯曲应力时，齿就发生断裂。

过负荷断裂是由于机械系统速度的急剧变化，轴系共振，轴承破损，轴的弯曲等原因，使齿轮产生不正常的一端接触，载荷集中到齿面的一端而引起的，其原因主要是由于装配不良，机器运转时存在其他故障问题。

齿的断裂是齿轮最严重的故障，常因此造成设备停机，或者引起机器其他零部件的故障。

2、齿的磨损磨损是指金属的整个齿面上连续不断地损耗，从而在齿面上产生金属的研磨状。

齿轮在啮合过程中，往往在轮齿接触表面上出现材料摩擦损伤的现象。

如果磨损量不影响齿轮在其寿命内应具备的功能的磨损，我们称之为正常磨损，其特征是齿面光滑，没有宏观擦伤，各项公差在允许范围内。

如果由于齿轮用材不当，或在接触面间存在硬质颗粒，以及润滑油供应不足或不清洁，往往以其齿轮的早期磨损，有微小的颗粒分离出来，接触表面发生尺寸变化，严重损失，并使齿形改变，齿厚边薄，甚至出现“刀片”状齿尖；啮合间隙增大；噪声增大；严重磨损的结果将导致齿轮失效。

齿轮零件常见失效形式

齿轮零件常见失效形式齿轮常见的失效形式有四种：齿面磨损、齿面疲劳、轮齿断裂、齿面塑性变形。

(1)齿面磨损齿轮传动中润滑不良、润滑油不洁等均可造成磨损或划痕。

磨损可分为磨粒磨损、划痕、腐蚀磨损和胶合等。

①磨粒磨损与划痕：当润滑油不洁，含有杂质颗粒，或在开式齿轮传动中的外来砂粒，或在摩擦过程中产生的金属磨屑，都可以产生磨粒磨损与划痕。

这些外界的硬质微粒，开始先嵌入一个工作表面，然后以微量切削的形式，从另一个工作表面挖去金属的细小微粒或在塑性流动下引起变形。

通常情况下齿顶、齿根部摩擦较节圆部严重，这是因为啮合过程中节圆处为滚动接触，而齿顶、齿根处为滑动接触。

②腐蚀磨损：由于润滑油中的一些化学物质如酸、碱或水等污染物与齿面发生化学反应造成金属腐蚀而导致齿面损伤。

③烧蚀：烧蚀是由于过载、超高速、润滑不当或不充分引起的齿面剧烈磨损，由磨损引起局部高温，这种温度升高足以引起色变和过时效，或使钢的几微米厚度表面层重新粹火，出现白层。

④齿面胶合：大功率软齿面或高速重载的齿轮传动，当润滑条件不良时产生齿面胶合现象，一个齿面上的部分材料胶合到另一齿面上，因而在此齿面上留下坑穴，在后续的啮合传动中，这部分胶合上的多余材料很容易造成其他齿面的擦伤沟痕，形成恶性循环。

(2)齿面疲劳所谓的齿面疲劳主要包括齿面点蚀与剥落，是由于材料的疲劳引起的。

当工作表面承受交变应力的作用时，会在齿面引起微观疲劳裂纹，润滑油进入裂纹后，由于啮合过程可能先封闭入口然后挤压，微观疲劳裂纹内的润滑油在高压下使裂纹扩展，结果小块金属从齿面上脱落留下一个小坑，形成点蚀。

如果表面的疲劳裂纹扩展较深、较远或一系列小坑由于坑间材料失效时连接起来，造成大面积或大块金属脱落，这种现象则称为剥落。

实验表明，在闭式齿轮传动中，点蚀是非常普遍的破坏形式，在开式齿轮传动中，由于润滑不够充分以及进入污物的可能性增多，磨粒磨损总是先于点蚀磨损。

(3)轮齿断裂齿轮副在啮合传动时，主动轮的作用力和从动轮的反作用力都是通过接触点分别作用在对方的轮齿上，危险的情况下是接触点某一瞬间位于轮齿的齿顶部，此时轮齿如同一个悬臂梁，受载后齿根处产生的弯曲应力为最大，若因突然过载或冲击过载，很容易在齿根部产生过负荷断裂，即使不存在冲击过载的受力H况，当轮齿重复受载后，由于应力集中现象，也易产生疲劳裂纹，并逐步扩展，致使轮齿在齿根处产生疲劳断裂。

齿轮传动

对于软齿面（齿面硬度 ≤350HBS）的闭式齿轮传动常因齿面疲劳点蚀而失效。
■抗点蚀措施：提高齿面硬度和齿面加工精度；选用黏度合适的润滑油等。
机械设计基础
（三）齿面胶合对于重载、高速齿轮传动，因啮合区产生很大的摩擦热，导致局部温度过高，使润滑油膜破裂，接触齿面金属发生粘着，随着齿面的相对运动，使金属从齿面上撕落而引起严重的粘着磨损，这种现象称为齿面胶合。此外在重载低速齿轮传动中，由于局部齿面啮合处压力很高，且速度低，不易形成油膜，使接触表面膜被刺破而粘着，也产生胶合破坏，称之为冷胶合。 ■抗胶合措施：提高齿面硬度，减小齿面粗糙度和齿轮模数，采用抗胶合能力强的润滑油等。
常用材料及热处理选择
齿轮常用材料是钢、铸铁、非金属材料。
机械设计基础
1．钢齿轮常用钢材为优质碳素钢、合金钢和铸钢，一般多用锻件或轧制钢材；较大直径（d>400~600mm）的齿轮不宜锻造，需采用铸钢如ZG340-640、ZG40Cr等。因铸钢收缩率大，内应力大故加工前应进行正火或回火处理。齿轮按照不同的热处理方法所获得的齿面硬度的高低，分为软齿面和硬齿面两类。
机械设计基础
计算载荷
Fnc KFn
式中， K为载荷系数，用以考虑以下因素影响：
1）原动机和工作机的动力特性、轴和联轴器系统的质量和刚度，以及运行状态等外部因素引起的附加动载荷。
2）齿轮副在啮合过程中，因制造误差及运转速度变化引起的内部附加动载荷。
3）由于轴的变形和齿轮制造误差等引起载荷沿齿宽方向分布不均性。
机械设计基础
直齿圆柱齿轮传动设计
直齿圆柱齿轮传动的设计计算步骤
1．闭式软齿面齿轮传动（硬度≤350 HBW） 1）选择齿轮材料、热处理方式、精度等级及计算许用应力； 2）合理选择齿轮参数，按接触疲劳强度设计公式算出小齿轮分度圆直径； 3）计算齿轮的主要尺寸； 4）校核所设计的齿轮传动的弯曲疲劳强度； 5）确定齿轮的结构尺寸； 6）绘制齿轮的工作图。

齿轮的失效形式和设计准则

齿轮的失效形式和设计准则
1. 齿轮传动常见的失效形式
齿轮传动是依靠轮齿的相互啮合来传递运动和动力的，由于轮齿的尺寸小，受载荷大，因此，轮齿是齿轮常见的主要失效部位。由于齿轮传动的形式、承受的载荷、齿面硬度及传动速度等情况的不同，轮齿的失效形式也是多种多样的，主要有以下五种：
齿轮的失效形式和设计准则
齿轮的失效形式和设计准则
（3）齿面磨损。两轮齿在啮合过程中存在相对滑动，当其工作面间进入灰尘、砂粒、金属屑等杂质时，将引起磨粒磨损，如图1-16所示。当齿面严重磨损后，渐开线齿廓被破坏，齿侧间隙加大，引起冲击和振动。严重时会因轮齿变薄，抗弯强度降低而折断。
图-16 齿面磨损
齿轮的失效形式和设计准则
图1-15 齿面点蚀
齿轮的失效形式和设计准则
齿面点蚀是润滑良好的闭式齿轮传动常见的失效形式，对于开式齿轮传动，由于齿面磨损较快，点蚀未形成之前就已被磨掉，因而一般不会发生点蚀破坏。
齿面疲劳点蚀严重时，齿廓失去准确形状，产生冲击和噪声。提高齿面疲劳点蚀的能力，可采用提高齿面硬度、降低表面粗糙度、使用高黏度的润滑油润滑等措施。
（1）对于闭式软齿面（≤350 HBS）齿轮传动，齿面主要失效形式为齿面点蚀，故按齿面接触疲劳强度设计，确定齿轮的主要参数和尺寸，然后按齿根弯曲疲劳强度进行校核。
齿轮的失效形式和设计准则
（4）齿面胶合。在高速重载的齿轮传动中，由于齿面滑动速度高，齿面间的高压、高温使润滑油被挤出，齿面油膜破裂，两金属表面啮合处摩擦面瞬时产生高热，局部温升过高，使齿面接触区熔化并黏结在一起。当齿面相互滑动时，较软的金属表面沿滑动方向被撕下一部分，形成沟纹，这种现象称为胶合，如图1-17所示。

机械基础教案三§3-8齿轮轮齿的失效形式

一、齿面点蚀（闭式齿轮）
1、产生的原因：轮齿啮合时接触面积很小，在负载作用下产生很大的交变接触应力，在它的反复作用下齿面产生疲劳裂纹，裂纹的扩展导致表面上有小块金属剥落，形成小坑。多发生在靠近节线的齿根面上。
2、后果：渐开线齿廓被破坏，造成传动不平稳，产生噪声轮齿将因齿面破坏而报废。
3、出现场合：齿面点蚀是在润滑良好的闭式齿轮传动中的主要形式之一。在开式传动中一般看不见点蚀现象。
重点
分析、理解各类失效形式的产生原因及后果
难点
掌握各类失效形式的预防措施
教学内容
活动
【导入】
齿轮轮齿在工作过程中传递动力时，由于齿轮本身的工作特点及实际工作场合，会使齿轮的轮齿丧失工作能力。
【新课】
失效：齿轮在传动过程中，发生轮齿折断、齿面损坏等现象从而失去其正常工作的能力，这种现象称为齿轮轮齿的失效。
4、预防措施：①选用合适的材料和提高齿面的硬度，使齿面接触应力不超过许用值。
②减小齿面的表面粗糙度值。
③增大润滑油的延黏度。
二、齿面磨损（开式传动）
1、产生的原因：啮合齿面间的相对滑动摩擦。
2、后果：①齿面损坏
②加大侧隙
③引起传动不平稳和冲击。
3、预防措施：
①提高齿面硬度，减小齿面表面粗糙度值。减小接触应力。
பைடு நூலகம்课题
§3-8齿轮轮齿的失效形式
授课日期
教材
分析
本节内容主要介绍了齿轮轮齿的五种失效形式及产生的原因、方位及主要的防治措施。
学情
分析
学生没有这方面的工作经验，在教学时主要依靠一些直观的教学手段给学生以感性认识。从而达到强化记忆的目的。
教学
目标
分析、理解各类失效形式的产生原因及后果，掌握各类失效形式的预防措施。

第十节齿轮传动的失效形式和设计准则

进行校核。
设计准则
2、开式传动
齿面磨损为其主要失效形式，故通常只按弯曲疲劳强度进行设计，再将计算确定的模数m增大10%的办法，来考虑磨粒磨损对轮齿强度削弱的影响,而无需校核接触强度。
措施
主要措施：提高齿面硬度；降低齿面粗糙度；增大润滑油粘度；采用合理变位。
失效形式
3、齿面胶合齿面间压力大，润滑油膜不易建立，齿面金属直接接触，出现粘焊现象。
重载齿轮传动中，由于齿面间压力很大，润滑油膜不容易建立或容易破坏，造成齿面金属直接接触，出现粘焊现象，随着齿面间的相对滑动，较软的齿面被撕出与滑动方向一致的沟痕，即为胶合。胶合处产生局部瞬时高温，加剧粘焊程度，引起齿廓破坏。
第十节齿轮传动的失效形式和设计准则
一、失效形式
1、轮齿折断 2、齿面点蚀 3、齿面胶合 4、齿面磨损 5、塑性变形
失效形式
1、轮齿折断
弯曲疲劳折断过载折断
常见的是弯曲疲劳折断，轮齿像一个悬臂梁，受载后齿根处产生的弯曲应力最大，而且有应力集中，轮齿在啮合时受力、脱开时不受力，轮齿受变应力的反复作用，齿根处产生疲劳裂纹，并逐渐扩大，导致轮齿疲劳折断。
失效形式
5.塑性变形
从动轮
主动轮
当轮齿材料较软，载荷及摩擦力很大，轮齿在啮合过程中齿面表层的材料就会沿着摩擦力方向产生塑性变形。由于主动轮上所受的摩擦力是背节线分别朝向齿顶及齿根作用的，故产生塑性变形后，齿面沿节线处形成凹沟。
主动齿轮齿面所受摩擦力背离节线，齿面在节线附近下凹；从动齿轮齿面所受摩擦力指向节线，齿面在节线附近上凸。
疲劳裂纹
措施
提高轮齿抗折断能力的措施：增大齿根圆角半径，消除加工刀痕以降低齿根应力集中；增大轴及支承物的刚度以减轻局部过载的程度；对轮齿进行表面处理以提高触应力产生的点状疲劳脱落现象振动和噪声加剧

齿轮轮齿的失效形式

传动中，由于靠近节线的齿顶表面处相对速度大，因此胶合常发生在该部位。
图3 齿面胶合
防止胶合产生的方法：
（1）对于低速传动，可采用黏度大的润滑油。（2）对于高速传动，则可采用硫化润滑油，使其较牢固地吸附在齿面上而不易被挤掉。（3）提高齿面的硬度和减小齿轮表面的粗糙度，以及两齿轮选择不同材料均可减少胶合的发生。
四、轮齿折断
齿轮轮齿在传递动力时，相当于一根悬臂梁。在齿根处受到的弯曲应力最大，且在齿根的过渡圆角处具有较大的应力集中，传递载荷时，轮齿在交变载荷的不断作用下，在轮齿根部的应力集中便会产生疲劳裂纹。随着重复次数的增加，裂纹逐渐扩展，直至轮齿折断。这种折断称为“疲劳折断”。如图4。此外，用脆性较大的材料（如铸铁、淬火钢等）制成的齿轮，由于材料在受到短时过载或过大的冲击载荷时，常会引起轮齿的突然折断。这种折断称为“过载折断”。
图5
齿面的塑性变形破坏了齿廓的形状，导致齿轮轮齿失效。提高齿面硬度和采用黏度较高的润滑油，有利于防止或减轻齿面的塑性变形。
小结：
常见轮齿的失效形式： 1、齿面点蚀 2、齿面磨损 3、齿面胶合 4、轮齿折断 5、齿面塑性变形
作业：
P72 习题19
产生齿面磨损的主要原因：
1、齿轮在传动过程中，工作齿面间有相对滑动。 2、齿面不干净，有金属微粒、尘埃、污物等进入轮齿啮合区域，引起磨料性磨损。 3、润滑不好。齿面磨损是润滑条件不好、易受灰尘及有害物质侵袭的开式齿轮传动的主要失效形式之一。
减少齿面磨损的措施：
1、尽可能采用润滑条件良好的闭式传动。 2、同时提高齿面硬度 3、减小齿轮表面粗糙度值
实践表明，点蚀多发生在靠近节线的齿根表面处，如图1所示：

齿轮的失效形式及设计准则

轮齿的失效形式及设计准则
机械本122 吕世伟
江汉大学专用作者：潘存云教授
轮齿的失效形式及设计准则
一、轮齿的失效形式轮齿折断失效形式
一般发生在齿根处，严重过载突然断裂、疲劳折断。
潘存云教授研制
潘存云教授研制
江汉大学专用
作者：潘存云教授
提高轮齿抗折断能力的措施：（1）增大齿根过渡圆角半径，消除加工刀痕，减小齿根应力集中；（2）增大轴及支承的刚度，使轮齿接触线上受载较为均匀；（3）采用合适的热处理，使轮齿芯部材料具有足够的韧性；（4）采用喷丸、滚压等工艺对，对齿根表层进行强化处理。
江汉大学专用作者：潘存云教授
特点及应用：调质、正火处理后的硬度低，HBS ≤ 350，属软齿面，工艺简单、用于一般传动。当大小齿轮都是软齿面时，因小轮齿根薄，弯曲强度低，故在选材和热处理时，小轮比大轮硬度高: 20~50HBS 表面淬火、渗碳淬火、渗氮处理后齿面硬度高，属硬齿面。其承载能力高，但一般需要磨齿。常用于结构紧凑的场合。
▲对高速重载齿轮传动，除以上两设计准则外，还应按齿面抗胶合能力的准则进行设计
由工程实践得知： ▲闭式软齿面齿轮传动，以保证齿面接触疲劳强度为主
▲闭式硬齿面或开式齿轮传动，以保证齿根弯曲疲劳强度为主
江汉大学专用
作者：潘存云教授
齿轮材料及选用准则
一、对齿轮材料性能的要求齿轮的齿体应有较高的抗折断能力，齿面应有较强的抗点蚀、抗磨损和较高的抗胶合能力，即要求：齿面硬、芯部韧。二、常用齿轮材料钢材的韧性好，耐冲击，通过热处理和化学处理可改善材料的机械性能，最适于用来制造齿轮。
措施： 1.提高齿面硬度 2.减小齿面粗糙度 3.增加润滑油粘度低速 4.加抗胶合添加剂高速

齿轮传动的失效形式及设计准则

2）正火正火处理后可以使材料晶粒细化，增大
机械强度和韧性，消除内应力，改善切削性能。一般用于机械强度要求不高的中碳钢齿轮。对于大直径的齿轮可采用铸钢正火处理。 3）表面淬火
对于45、40Cr等中碳钢和中碳合金钢齿轮，也可以进行表面淬火，齿面硬度达到 50HRC以上，齿芯部仍有较高的韧性，故接触强度高。耐磨性好，也可承受一定的冲击载荷，适用于无剧烈冲击的齿轮传动。
提高齿面硬度，既可以提高接触强度，
又可以提高抗磨粒磨损及抗塑性变形的能力。硬齿面齿轮与软齿面齿轮比较，其综合承载能力可提高2～3倍以上。在相同承载能力的条件下，硬齿面齿轮尺寸比软齿面齿轮尺寸小的多。所以除非生产条件受到限制，一般硬采用硬齿面齿轮传动。
经过表面硬化的齿轮齿面硬度一般不低于HRC45（相当于424HBS）。对金属制的直齿轮，配对的两齿轮齿面的硬度差应保持在30～50或更多（即HBS1～ HBS2），是普遍要求。因为当小齿轮与大齿轮的齿面具有较大的硬度差时（如小齿轮淬火磨制，大齿轮为常化或调质），在运转过程中较硬的小齿轮齿面对较软的大齿轮齿面，会有显著的冷作硬化效应，提高大齿面的疲劳极限，其接触疲劳强度约可以提高20%。
齿面磨损：灰尘、砂粒、金属微粒等落入轮齿间，会使齿面间产生摩擦磨损。严重时会因齿面减薄过多而折断。磨损是开式传动的主要失效形式。
主要措施：采用闭式传动；提高齿面硬度；降低齿面粗糙度；采用清洁的润滑油。
（4）齿面塑性变形若轮齿的材料较软，载荷及摩擦力又都很大时，齿
面材料就会沿着摩擦力的方向产生塑性变形，这种情况一般发生在硬度较低的齿面上。
防止胶合的措施：提高齿面硬度；降低齿面粗糙度；增大润滑油粘度；限制油温。
缺少供油，也会导致胶合。针对胶合失效而拟订的设计准则及计算方法即为传动的胶合承载能力计算。