齿轮箱知识

齿轮箱基础知识一、齿轮传动机械的现状和趋势齿轮是传递运动和动力的机械装置，具有悠久的历史，我国在公元前400-200年便开始使用齿轮。

古代的指南车的核心机械即为齿轮，迄今发现最早的青铜齿轮在山西省。

目前，齿轮传动装置广泛应用于工农业生产的各个领域，是应用最多、最广泛的传动元件。

由于具有速比范围大、传递功率大、可靠性高、传动比准确、寿命长等优点，是大多数机械设备必不可少的传动部件，齿轮加工技术甚至被认为是衡量机械工业水平的重要标志。

目前全国共有齿轮生产厂近600家，齿轮年产量达4000余万套，减速器年产量为30-40万台。

在各个品种和规格的齿轮加工机床、刀具和量具方面已达到了国际先进制造水平，并形成了完整的配套体系。

近些年我国在各工业领域大量引进了大型成套设备，其中的高速重载齿轮是其关键部件。

我国相关科研院所在此基础上，通过引进相关齿轮制造软件技术和科研攻关逐步加以消化和吸收，在代表齿轮制造工业发展水平的高精度、高硬齿面齿轮国产化方面取得重要成就。

从发展趋势上看，齿轮装置在向小型化、高速化、低噪声、高可靠性、标准化、系列化方向不断发展。

尽管目前电传动技术和其他机械部件技术实现了快速发展，但各种类型的齿轮传动依然在工业生产和工程应用领域中占据主导地位，并持续相当长的发展阶段。

目前常见的齿轮箱按照结构形式可分为七类，即渐开线圆柱齿轮、摆线针轮定轴传动、圆弧圆柱齿轮传动、锥齿轮传动及准双曲面齿轮传动、蜗杆传动、渐开线行星齿轮传动、非园齿轮传动等。

不同形式的齿轮结构在传动速比、传动效率、转速、润滑要求、工作可靠性、成本效率等方面各有不同优势和劣势，在设备选型时需要综合考虑以下几方面的因素：1、工作机对齿轮箱的结构和动力参数的要求，如传动结构尺寸、质量、功率、转速、效率、传动比、负荷特性等；2、工作机对齿轮箱的性能要求，如：工作可靠性、使用寿命、噪音、振动、温升和传动精度；3、齿轮箱技术的先进性、合理性、经济性、通用互换性等；4、齿轮产品的低成本、高效率、高精度、高可靠性。

齿轮材料的选择和齿轮的工作可靠性、使用寿命、工作效率、润滑要求等密切相关。

在齿轮传递动力和改变速度的运动过程中，啮合齿面之间同时存在滚动和滑动摩擦，齿面还受到脉动或交变弯曲应力的作用，还有齿面可能发生磨损、胶合及疲劳破坏，因此要求齿轮具有优良的耐磨性能、抗接触疲劳性能和抗弯曲疲劳性能，即要求齿轮材料表面硬度高、强度高、芯部韧性好且硬化层分布合理。

在实际选用中还应根据需要和使用条件如负荷、速度、温度、可靠性、质量、精度、价格等因素来确定齿轮选材。

目前，工业制造领域的齿轮选材主要以钢为主，包括各种低碳钢、中碳钢、高碳钢和合金钢。

而铝、镁、钛、铜合金、铸铁，甚至塑料和木材等都可用于制作齿轮。

通常，为了改善和提高齿轮材料的性能或降低成本，可以采用化学处理、表面强化处理以及复合处理等表面改性技术。

选取齿轮材料要充分考虑材料的经济性、强度和齿轮精度等，不同设备的需求自然也大为不同。

就仪器设备、家用器具、玩具等小负荷齿轮而言，可以选择造价低、生产率高的复合塑料齿轮。

而坦克、冷轧机等重负荷执行机械，则需要材料及加工要求更高的各种金属和合金材料。

如果在航空航天工业中应用，则要求更高的可靠性、精度和轻重量，制造成本放在次要位置。

下面就主要几类齿轮材料一一进行分析：1、钢材齿轮用钢多为合金钢，少数为碳钢。

通常为降低成本，可以对中碳钢和低合金钢进行各种热处理以提高其强度和硬度。

表面硬化处理亦可提高合金钢齿轮材料的强度，使其适用于高负载和中等温度使用的工况。

而当齿轮的使用条件进一步提高时，往往需要对齿轮进行淬火以提高其强度和硬度。

或通过表面渗碳及表面氧化处理事齿轮表面硬化，以提高其抗疲劳性能，改善其抗胶合和抗磨性能。

就发展趋势而言，应大力推广使用强度和硬度较高的硬齿面齿轮，并通过优化齿轮选材及润滑方式来延长齿轮的使用寿命。

2、铸铁常用的铸铁主要包括：灰铸铁、球墨铸铁、可煅铸铁和合金铸铁等4种。

与钢相比较，铸铁的合金成分较低，加工性能更好。

铸铁中存在的游离石墨和多孔性结构使齿轮的耐磨性良好、噪音小、成本低，可以广泛应用于各类齿轮传动。

由于铸铁具有的良好滑动特性，在许多负荷不大、工作条件不苛刻的涡轮传动中可用铸铁涡轮替换铜合金涡轮。

总而言之，铸铁是经济适用的齿轮材料。

3、有色金属齿轮工业中应用最多的是有色金属为铜和铜合金。

其中常用的是锡青铜和铝铁青铜，大多数用于制造涡轮。

但含硫添加剂对铜具有腐蚀作用，应尽量慎用。

另外，强度较高和机械加工性能较好的铸造铝合金适合制作齿轮或涡轮，但滑动性和抗磨性能稍差，因此仅可用于轻、中负荷和中低转速齿轮。

4、非金属材料齿轮箱的故障形式与对策影响齿轮损伤的因素很多，如选材、设计计算、毛坯加工工艺，以至安装调整、润滑和维护使用环节的某种失误均可导致齿轮实效。

下面介绍齿轮损伤的基本类型和特征，以及齿轮损伤同润滑的关系。

齿轮在工作中发生损伤的基本形式主要分为五类，即：磨损、齿面疲劳、胶合、塑性变形和齿轮折断。

1、齿轮磨损：是指啮合过程中齿轮表面材料不断摩擦和消耗的过程。

按磨损损伤机理可以分为：黏着磨损、磨粒磨损、表面疲劳磨损、腐蚀磨损等。

而按磨损深度可以将磨损划分为轻微磨损、中等磨损、过度磨损。

以磨粒磨损为例，磨粒主要源于两个方面。

其一为外界进入的砂石、金属铁屑及外界其他物质等。

其二为齿轮箱内部因齿轮损伤而产生的颗粒、氧化皮及其他金属或非金属物质。

硬质磨粒进入到啮合齿面后可导致齿面严重磨损，而软质磨粒进入齿面后导致的磨损相对缓和，但长期运转过程中会严重降低齿轮精度，进而影响齿轮的正常运转。

因此，应尽可能采用闭式齿轮传动，并在初期跑合后换油和清洗齿轮箱，同时优先采用循环系统供油，配置良好的过滤和报警装置。

此外，腐蚀磨损也是导致齿轮故障的主要磨损形式。

主要包括气蚀及特殊介质腐蚀磨损。

腐蚀磨损以化学腐蚀为主，并伴随机械磨损，齿面形成均匀分布的腐蚀坑。

影响齿轮腐蚀的因素也很多，主要包括腐蚀介质的性质、温度、湿度、齿轮材料中合金元素的含量等。

通常，润滑剂中的活性成分如酸和水等都可同齿轮材料发生化学反应，从而导致齿面腐蚀。

虽然金属类极压添加剂的腐蚀作用是避免齿面胶合的决定性因素，但在高温条件下，极压添加剂可分解成具有很强腐蚀作用的活性元素，从而导致金属齿面腐蚀。

钢材中的Ni、Cr、W、Mo等起到较好的抗腐蚀作用。

为了控制和减轻齿轮的腐蚀磨损，应重点控制腐蚀介质，如腐蚀性强的添加剂的用量，同时应注意避免水、酸和其他有害物质对齿面的腐蚀作用。

灵智新能源工程技术研究中心通过齿轮润滑材料的科技创新，使传统极压抗磨剂对齿轮的腐蚀问题得以避免。

工业齿轮油添加剂所包含的巨量纳米金刚石在齿轮油膜中的均匀分布，形成以油膜为载体，纳米金刚石为“滚珠”的“滚珠轴承减磨结构”，利用纳米金刚石滚珠的“滚动减摩”代替齿轮油内化学反应层的“滑动建模”，在不含任何金属极压添加剂的情况下，使普通物理油膜同样具有更好的抗磨功效，因此，有效避免金属极压添加剂造成的腐蚀损害，在齿轮传动润滑材料的技术革新方面具有典型的意义。

2.齿面胶合和擦伤齿轮两啮合齿面的金属，发生胶合磨损是在一定压力下直接接触，“焊合”后又有相对运动，金属从齿面上撕落，或从一个齿面向另一个齿面转移而引起损伤的现象，这是一种较严重的磨损形态。

它通过接触面局部发生粘合，在相对运动下粘合处分离，致使接触面上有小颗粒被拉拽出来，这种过程反复进行多次而使齿面发生破坏。

胶合和擦伤一般发生在重载或高速的齿轮传动中，主要是由于润滑条件不合适而导致齿面间的油膜破裂。

胶合磨损的宏观特征是齿面沿滑动速度方向呈现深、宽不等的条状粗糙沟纹，在齿顶和齿根处较为严重，此时噪声明显增大。

胶合分为冷粘合和热粘合。

冷粘合的沟纹比较清晰，热粘合可能伴有高温烧伤引起的变色。

冷粘合撕伤是在重载低速传动的情况下形成的。

由于局部压力很高，表面油膜破裂，造成轮齿金属表面直接接触，在受压力产生塑性变形时，接触点由于分子相互的扩散和局部再结晶等原因发生粘合，当滑动时粘合结点被撕开而形成冷粘合撕伤。

热粘合撕伤通常是在高速或重载中速传动中，由于齿面接触点局部温度升高，油膜及其他表面膜破裂，表层金属熔合而后又撕裂形成的。

新齿轮未经磨合时，也常常在某一局部产生胶合现象，使齿轮擦伤。

3.齿面接触疲劳齿轮在啮合过程中，既有相对滚动，又有相对滑动。

这两种力的作用使齿轮表面层深处产生脉动循环变化的切应力。

轮齿表面在这种切应力反复作用下，引起局部金属剥落而造成损坏。

其损坏形式有麻点疲劳剥落、浅层疲劳剥落和硬化层疲劳剥落三种。

1．麻点疲劳剥落齿轮在接触应力作用下，工作表面呈痘斑、片状的疲劳损伤，称为麻点疲劳剥落。

麻点疲劳剥落又分初始麻点(非扩展性的)和破坏性麻点(扩展性的)。

初始麻点是由于齿面存在微小的加工误差，表面不平，接触不均匀，齿轮在正常工作载荷作用下，使表面局部产生了高出材料疲劳极限的应力，经过一段循环次数后产生疲劳剥落，形成深度小于0．1mm，直径小于1mm的细小麻点。

破坏性麻点是在接触应力较大，循环次数较多的情况下，初始麻点中产生的次生裂纹，发展成剥落面积较大、较深的剥落坑，麻点深度一般约小于O．4mm。

齿轮齿面在滚动带滑动的接触过程中，因表面凹凸不平，表面摩擦较大，在受挤压时，表面部分地被压平，形成小的表面折叠，其尖端处产生应力集中，在反复切应力的作用下产生局部塑性变形而导致裂纹形成。

在有润滑情况下，由于毛细管作用使润滑油进入裂缝，当齿轮运动时，高压油挤入裂缝，形成油楔。

在油楔压力反复交变冲击作用下，裂纹进一步扩展，同时在裂纹顶端受到垂直弯曲应力作用，像悬臂梁一样，最后将此块弯断，形成麻点剥落。

可见，麻点剥落是从表面产生裂纹，因油楔压力作用而引起浅层剥落。

2．浅层疲劳剥落比麻点剥落大而深的接触疲劳剥落损伤称为浅层疲劳剥落，呈鳞片状，通常坑深约0．4mm，但在硬化层深度以内。

这种剥落常发生在齿轮表面粗糙度低、相对摩擦力小的场合。

3．硬化层疲劳剥落经表面强化处理的齿轮在工作过程中出现大块状剥落，深度达到硬化层过渡去，称为硬化层疲劳剥落。

它是表面硬化齿轮严重剥落的一种形式。

软齿面不易出现这类损伤现象。

（未完待续）。