齿轮的失效分析

齿轮的失效分析【摘要】齿轮传动是靠轮齿的啮合传动来传递运动和动力的，轮齿失效是齿轮常见的主要失效形式。

由于齿轮传动装置有开式、闭式，齿面有软齿面、硬齿面，齿轮转速有高有低，载荷有轻重之分，所以设计应用中会出现各种不同的失效形式。

分析研究失效形式有助于建立齿轮设计的准则，提出防止和减轻失效的措施。

【关键词】失效形式齿轮传动失效原因齿轮的失效形式很多，它们不大可能同时发生，却又相互联系，相互影响。

例如轮齿表面产生点蚀后，实际接触面积减少将导致磨损的加剧，而过大的磨损又会导致轮齿的折断。

1、齿轮失效的原因主要有以下三点：1.早期点蚀的原因主要是由于齿面接触不良及超负荷运转，引起齿面接触应力增大。

早期点蚀的发生时间较早，几天或十几天就发生大块的剥落，发展得很快，直径大且深。

所以在使用中一般不应进行超负荷运转，尤其是初期运转时，负荷应从小到大逐渐增加，待齿面接触情况达到要求时，再满负荷运转。

2.后期点蚀的原因有3点：第一，接触精度不好，如对角接触、接触面有偏齿或顶齿根等现象。

凡属接触不好的发生点蚀比较早，也比较严重。

第二，大、小齿轮表面硬度差偏小，材料的饱和性能及抗疲劳性能差，亦易引起点蚀。

第三，润滑油过稀易产生和助长点蚀的发生和发展，因黏度小的润滑油无助于消减作用在齿面上的动力载荷和摩擦力，所以采用黏度较大的润滑油为宜。

3.擦伤与胶合。

当润滑油过稀时，由于两齿轮间的压力和相对滑动，容易导致润滑油被挤出或啮合温度升高，使两齿面的金属表面直接接触而互相胶住，这时材料硬的齿面就会把软的齿面擦伤，或将一部分金属黏走，使软齿面上形成许多沿滑动方向的沟纹。

齿面发生胶合后，两齿面都变得很粗糙，从而加剧了齿面的磨损。

2、齿轮失效的几种形式齿轮传动就装置形式来说，有开式、半开式及闭式之分；就使用情况来说有低速、高速及轻载、重载之别；就齿轮材料的性能及热处理工艺的不同，轮齿有较脆（如经整体淬火、齿面硬度较高的钢齿轮或铸铁齿轮）或较韧（如经调质、常化的优质钢材及合金钢齿轮），齿面有较硬（轮齿工作面的硬度大于350HBS或38HRC，并称为硬齿面齿轮）或较软（轮齿工作面的硬度小于或等于350HBS或38HRC，并称为软齿面齿轮）的差别等。

由于上述条件的不同，齿轮传动也就出现了不同的失效形式。

一般地说，齿轮传动的失效主要是轮齿的失效，而轮齿的失效形式又是多种多样的，这里只就较为常见的轮齿折断和工作面磨损、点蚀,胶合及塑性变形等略作介绍，其余的轮齿失效形式请参看有关标准。

至于齿轮的其它部分（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、轮齿折断轮齿折断通常有两种情况：一种是由于多次重复的弯曲应力和应力集中造成的疲劳折断；另一种是由于突然严重过载或冲击载荷作用引起的过载折断。

这两种折断都起始于轮齿相部受拉的一侧。

齿宽较小的直齿轮往往发生全齿折断，因宽较大的直齿轮或斜齿轮则容易发生局部折断。

2、齿面点蚀点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。

齿轮在啮合过程中，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，润滑也就愈好。

当轮齿在靠近节线处啮合时，由于相对滑动速度低，形成油膜的条件差，润滑不良，摩擦力较大，特别是直齿轮传动，通常这时只有一对齿啮合，轮齿受力也最大，因此，点蚀也就首先出现在靠近节线的齿根面上，然后再向其它部位扩展。

从相对意义上说，也就是靠近节线处的齿根面抵抗点蚀的能力最差（即接触疲劳强度最低）。

提高齿轮材料的硬度，可以增强齿轮抗点蚀的能力。

在啮合的轮齿间加注润滑油可以减小摩擦，减缓点蚀，延长齿轮的工作寿命。

并且在合理的限度内，润滑油的粘度越高，上述效果也愈好。

因为当齿面上出现疲劳裂纹后，润滑油就会侵入裂纹，而且粘度愈低的油，愈易侵入裂纹。

润滑油侵入裂纹后，在轮齿啮合时，就有可能在裂纹内受到挤胀，从而加快裂纹的扩展，这是不利之处。

所以对速度不高的齿轮传动，以用粘度高一点的油来润滑为宜；对速度较高的齿轮传动（如圆周速度v>12m/s），要用喷油润滑（同时还起散热的作用），此时只宜用粘度低的油。

开式齿轮传动，由于齿面磨损较快，很少出现点蚀。

3、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。

4、齿面胶合对于高速重载的齿轮传动（如航空发动机减速器的主传动齿轮），齿面间的压力大，瞬间温度高，润滑效果差，当瞬时温度过高时，相啮合的两齿面就会发生粘在一起的现象，由于此时两齿面又在作相对滑动，相粘结的部位即被撕破，于是在齿面上沿相对滑动的方向形成伤痕，称为胶合，如中的轮齿部分所示。

传动时齿面瞬时温度愈高、相对滑动速度愈大的地方，愈易发生胶合。

有些低速重载的重型齿轮传动，由于齿面间的油膜遭到破坏，也会产生胶合失效。

此时，齿面的瞬时温度并无明显增高，故称为冷胶合。

加强润滑措施，采用抗胶合能力强的润滑油（如硫化油），在润滑油中加入极压添加剂等，均可防止或减轻齿面的胶合。

5、齿面塑性变形塑性变形属于轮齿永久变形一大类的失效形式，它是由于在过大的应力作用下，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。

塑性变形一般发生在硬度低的齿轮上；但在重载作用下，硬度高的齿轮上也会出现。

塑性变形又分为滚压塑变和锤击塑变。

滚压塑变是由于啮合轮齿的相互滚压与滑动而引起的材料塑性流动所形成的。

由于材料的塑性流动方向和齿面上所受的摩擦力方向一致，所以在主动轮的轮齿上沿相对滑动速度为零的节线处被碾出沟槽,而在从动轮的轮齿上则在节线处被挤出脊棱。

这种现象称为滚压塑变。

锤击塑变则是伴有过大的冲击而产生的塑性变形，它的特征是在齿面上出现浅的沟槽，且沟槽的取向与啮合轮齿的接触线相一致。

提高轮齿齿面硬度，采用高粘度的或加有极压添加剂的润滑油均有助于减缓或防止轮齿产生塑性变形。

3、齿轮的检查为了检查啮合接触面积，将轮齿涂上一层红丹粉，然后将齿轮向正反向转动一圈或两圈，最后观察轮齿上的压痕。

渐开线齿轮的啮合接触面积沿齿长不得小于５％，沿齿高不得小于４０％；圆弧齿轮的啮合接触面积沿齿长不得小于９０％，沿齿高不得小于６０％。

齿轮齿面如有局部剥落，应立即检查各轴的中心距离、平行度和整个齿轮系统的啮合与润滑情况。

经检查处理后再运转，如齿面剥落不再增加，且剥落面积不超过轮齿有效面积的２％时，仍可照常使用；如剥落继续增加，应即停止使用，进行更换。

齿厚的磨损不得超过原齿厚的１０％～１５％，对于没有往复冲击载荷的齿轮可允许磨损２５％，而在重载荷往复冲击的条件下只允许磨损８％，达到或超过此规定时，必须进行更换。

经过渗碳淬火的齿轮，磨损不应超过硬化层厚的８０％，最大不得超过渗碳深度。

4、预防齿轮失效的措施1.正确安装。

在安装时，正确调整两轴间的垂直度平行度，使齿轮的啮合间隙适当，避免因间隙过大、过小、扭斜，使齿轮断齿，齿面局部受损。

2.合理润滑。

对齿轮润滑油黏度的选择要适当，如果润滑油的黏度太小，难以在齿的表面形成起到保护作用的油膜，齿面的摩擦力就会增加，磨损也加大。

润滑油的油质要清洁，不能有杂质，使用时应进行过滤，剔出灰尘、砂粒、金属屑等。

3.做好散热。

对封闭式齿轮来说，传动散热较为关键，应及时清扫齿轮箱，加强对齿轮箱的冷却、通风工作。

加润滑油时，油量淹没大齿轮的１/３即可，注油量太多时，会增加齿轮的运行阻力，使内部发热。

4.避免超载。

超载容易加大煤矿机械设备各传动系统的负荷，同样也能加大两齿面之间接触处的接触应力。

动载荷增加时，易出现齿面点蚀现象。

5.及时检测。

对齿轮传动的间隙、润滑接触面积、发热情况、响声等，要进行检测和判断，发现不正常应及时调整、更换，这样也可以避免齿轮失效的发生，延长其使用寿命，保证设备正常运转。

结论：轮齿的失效形式很多，它们不大可能同时发生，却又相互联系，相互影响。

齿轮传动在具体的工作情况下，必须具有足够的、相应的工作能力，以保证在整个工作寿命期间不致失效。

因此，针对上述各种工作情况及失效形式，都应分别确立相应的设计准则。

但是对于齿面磨损、塑性变形等，由于尚未建立起广为工程实际使用而且行之有效的计算方法及设计数据，所以目前设计的一般使用的齿轮传动时，通常只按保证齿根弯曲疲劳强度及保证齿面接触疲劳强度两准则进行计算。

对于高速大功率的齿轮传动（如航空发动机主传动、汽轮发电机组传动等），还要按保证齿面抗胶合能力的准则进行计算（参阅GB6413－1986）。

至于抵抗其它失效能力，目前虽然一般不进行计算，但应采取的措施，以增强轮齿抵抗这些失效的能力。

【参考文献】1、孙智，失效分析-基础与应用机械工业出版社2、塔静宁,田怀欣,贺清华,郑观龙; 齿轮传动失效分析专家知识库3、余玲,刘康; 齿轮传动设计中框架的应用第一届国际机械工程学术会议论文4、李英; 齿轮的失效形式与润滑材料的关系第六届摩擦学工矿企业润滑技术工业应用学术年会论文集5、戴娟,夏卿坤,陈蕾; 润滑对几种主要的齿轮传动失效形式的影响;机床与液压; 2004年01期。