齿轮传动的失效形式及设计准则

齿轮传动设计准则及失效形式
齿轮传动设计准则
齿轮传动针对齿轮五种失效形式，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。

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。

1、闭式齿轮传动
由实践得知，在闭式齿轮传动中，通常以保证齿面接触疲劳强度为主。

但对于齿面硬度很高、齿芯强度又低的齿轮（如用20、20Cr钢经渗碳后淬火的齿轮）或材质较脆的齿轮，通常则以保证齿根弯曲疲劳强度为主。

如果两齿轮均为硬齿面且齿面硬度一样高时，则视具体情况而定。

功率较大的传动，例如输入功率超过75kW的闭式齿轮传动，发热量大，易于导致润滑不良及轮齿胶合损伤等，为了控制温升，还应作散热能力计算。

2、开式齿轮传动齿轮传动开式（半开式）齿轮传动，按理应根据保
证齿面抗磨损及齿根抗折断能力两准则进行计算，但如前所述，对齿面抗磨损能力的计算方法迄今尚不够完善，故对开式（半开式）齿轮传动，目前仅以保证齿根弯曲疲劳强度作为设计准则。

为了延长开式（半开式）齿轮传动的寿命，可视具体需要而将所求得的模数适当增大。

前已述之，对于齿轮的轮圈、轮辐、轮毂等部位的尺寸，通常仅作结构设计，不进行强度计算。

关键
一、失效形式：
齿轮传动失效主要是轮齿失效。

由于齿轮传动工作条件，工况、材料及热处理的差异有不同的失效形式。

1．轮齿折断：齿轮上的每一个轮齿就象一个悬臂梁。

疲劳折断
①轮齿受载后齿根处出现最大弯曲应力。

②齿根由于尺寸过渡和刀痕引起应力集中。

③在重复载荷作用下，齿根出现裂缝，扩展，导致轮齿折断。

过载折断：
受到突然过载或经过严重磨损后齿厚过分薄发生折断。

折断部位：
斜齿轮沿接触线产生局部折断
直齿轮沿齿根折断
应力性质：
单侧受力时,应力属于脉动循环变应力，双侧受力，应力属于对称循环变应力。

防止折断：除设计时满足强度条件外，还应
①加大齿轮模数
②采用正变位齿轮
③增大齿根过度圆角，消除齿根加工刀痕，齿根处强化处理
④采用高强度钢
⑤齿面进行热处理
2．齿面疲劳点蚀
点蚀产生机理
理论上轮齿齿面接触是一条线，由于弹性变形为很小的面接触，全部载荷作用在很小的面积上产生相当大的接触应力，当其超过材料的疲劳极限时，在接触应力的反复作用下，表层产生疲劳裂缝→扩大→连片→剥落→麻窝→点蚀。

点蚀产生工作条件：
润滑条件良好的闭式传动中，且齿面硬度 HB＜350；点蚀首先发生在节线附近,然后向齿根面,最后向齿顶面发展。

①对于ε＜2的齿轮传动,轮齿在节点啮合时,只有一对轮齿承受全部载荷
②相啮合轮齿在节点处,相对运动为纯滚动,油膜不易建立,润滑不良，摩擦力最大,所以点蚀首先出现在节线附近.齿面接触疲劳强度计算点就选在节点。

防止点蚀：
除满足强度条件外，还可：
①采用正传动，使a↑；
②采用粘度大的润滑油，均布载荷，改善润滑；
③通过热处理，增强齿面硬度，降低表面粗糙度。

3．齿面磨损：
对于开式传动或密封不好的闭式传动，由于灰尘、砂石和杂质进入啮合面，加上润滑条件差，在轮齿啮合过程中，引起磨料磨损，研磨磨损。

防止方法：闭式传动、散热差
采用闭式代替开式或加防护装置，注意润滑油的清洁。

4．齿面胶合：
出现在高速重载或低速重载的闭式传动，重载齿面间正压力大，油膜被挤走，金属直接接触，另一方面，重载条件下，损失功率大，产生热量多，温升大，导致接触处瞬时高温,接触在高温高压下焊在一块，齿面粘连，当轮齿继续转动时，较软齿面被撕下，在齿顶和齿根沿滑动方向形成沟纹。

防止：
①采用合有油性和极压添加剂的润滑油。

②降低滑动系数,减少模数,增大齿数。

③提高表面粗糙度。

5．塑性变形
当齿面硬度较低，又处于低速重载条件下，以及起动、过载频繁的传动中，齿面
表层材料沿摩擦力的发生塑性流动。

防止：
①采用高屈服强度的材料，提高齿面硬度。

②采用粘度大的润滑油。

二、设计准则
齿轮传动设计准则是根据传动工作条件和可能出现的各种失效形式，相应确定。

闭式传动中，齿面硬度 HB＜350时，点蚀
闭式传动中，齿面硬度 HB＞350时，折断
高速低速重载齿轮传动胶合
低速重载软齿面传动，塑性变形、磨损、折断
开式传动，磨损、折断。

由于目前对磨损和塑性变形尚未建立有效的，为工程所采用的计算方法和设计数据。

所以齿轮传动只是确定以下几项强度准则：
针对：
点蚀、确立齿面接触疲劳强度准则；
折断：确立齿根弯曲疲劳强度准则；
胶合：确立抗胶合的计算；
P＞75KW：散热能力计算。

齿轮传动的设计准则是：
1，由主机厂或发动机厂或主设计师提出变速箱的各档速比。

2，变速箱应以精巧实用为基本原则。

3，变速箱壳体最好采用铝合金压铸件。

4、变速箱各前进档位均应设有同步器。

5，齿轮及轴应采用常规低碳合金钢材料，渗碳淬火工艺。

6，各档位位置应符合常规使用习惯。

7，各档位应定位可靠，挂档位置清晰，挂档轻松，不脱档。

8，变速箱必须充分考虑散热、排气及润滑问题。

9，必须做好防漏油结构设计。