齿轮的失效分析

齿轮的失效分析作者：李再蕾摘要：齿轮传动是目前最重要也是应用最广泛的一种传动形式。

由于齿轮在传动过程中受到各种因素导致齿轮失效，如轮齿折断、齿面疲劳点蚀、胶合、磨损、塑性变形等。

齿轮失效直接影响着机械效能的发挥，亟待解决，本文分析了机械传动齿轮的失效形式及失效的原因，并列举了实例进行了实例分析。

采用化学成分分析、金相检验、硬度测试等方法，对断裂齿轮进行失效分析，结果表明，失效的齿轮硬度达不到要求、设计图样和加工工艺不符、金相组织不符合要求、存在偏载和重载现象等，这些都是导致齿轮失效的直接原因，本文对此提出了相应的解决措施，并指出了齿轮今后的发展方向。

关键词：齿轮失效分析原因措施引言机械产品的失效分析是一门新的跨学科的综合性技术，在一些国家中已将它作为一门新的独立学科加以研究和发展。

这是因为尽管人们所掌握的机械设计、材料、工艺、管理等的知识不断地丰富与深化，所运用的技术手段不断地更新与完善，但机械产品的失效事故仍经常发生，一些重大的失效事件往往会导致生命和财产的巨大损失。

所以必须系统地研究机件的失效类型、鉴别失效类型的技术、预测及监控失效的方法，改进与预防失效的措施等。

这方面的知识不仅对专业失效分析工作者是不可缺少的，而且对于设计工程师、材料和工艺工程师以及生产管理人员，也是十分必要的。

只有对产品一切可能的失效形式、其发生的条件、控制与预防等有深刻的理解，才可以在创造优质产品方面获得成功。

这里主要研究的是齿轮的失效分析。

齿轮是机动车辆、农业、矿山、石油机械和机床等多种机械产品必不可少的基础零件，应用范围极广，需用量也大。

齿轮在各种机械中要求可靠且精确地传递动力，应具有高的疲劳强度、耐磨性能和加工精度，因而要求较高的制造技术。

目前我国已具有相当大的齿轮生产能力，基本上已能够满足各类机械产品的要求，但在实际使用中普遍反映使用寿命较低。

这主要是由于我国的齿轮制造技术与国际先进水平相比差距较大，在齿轮设计、用材、制造以及使用等方面都还存在不少问题。

如果对这些问题不作系统的分析研究，找出问题所在，从而提出相应的改进措施，齿轮产品质量就难以得到提高。

通过齿轮的失效分析，可揭示齿轮的失效形式、失效原因、失效机理。

通过失效分析可较准确地揭露齿轮在设计、材质、制造工艺、装配和使用等方面而存在的不足之处。

将这些信息反馈到有关部门，有助于改进齿轮质量，延长齿轮的服役寿命。

1 齿轮的损伤和失效形式在机械工程中，齿轮传动应用甚为广泛，并且往往处于极为重要的部位，因此齿轮的损伤和失效倍受人们的关注。

齿轮的失效可分为轮体失效和轮齿失效两大类。

由于轮体失效在一般情况下很少出现，因此齿轮的失效通常是指轮齿失效。

所谓轮齿失效，就是齿轮在运转过程中，由于某种原因，使轮齿在尺寸、形状或材料性能上发生改变而不能正常完成规定的任务。

齿轮在运转中，轮齿有多种损伤和失效形式。

在GB/T 3481—1997《齿轮轮齿磨损和损伤术语》中，将轮齿的损伤和失效分成6类和多种具体形式（如下所列），并给出了相应的术语和定义。

1.1 齿面损耗的迹象（1）滑动磨损：跑合磨损、磨料磨损、过度磨损、中等擦伤、严重擦伤、干涉磨损；（2）腐蚀：化学腐蚀、微动腐蚀、鳞蚀；（3）过热；（4）侵蚀：气蚀、冲蚀；（5）电蚀。

1.2 胶合1.3 永久变形压痕、塑性变形（滚压塑变、锤击塑变）、起皱、起脊、飞边。

1.4 齿面疲劳点蚀（初期点蚀、扩展性点蚀、微点蚀）、片蚀、剥落、表层压碎。

1.5 裂缝和裂纹淬火裂纹、磨削裂纹、疲劳裂纹。

1.6 轮齿折断过载折断（脆性断裂、韧性断裂、半脆性断裂）、轮齿剪断、抹断、疲劳折断（弯曲疲劳、齿端折断）。

以上轮齿损伤和失效形式有些是在齿轮加工过程中产生的，如淬火裂纹和磨削裂纹等，有些是在运转过程中产生的，如磨损、胶合、点蚀等。

但是，有些是最终失效，如轮齿折断等，这种失效是由齿面的损伤逐步发展的结果，它有一个发展过程，因此要判定过程失效必须有规定的失效判据才行。

这种失效判据通常都由各行业制订的标准或规范来规定。

在GB/T 3480—1997《渐开线圆柱齿轮承载能力计算方法中，规定了齿轮接触疲劳强度试验时试验齿轮的失效判据如下：对于非硬化齿轮，其大小齿轮点蚀面积占全部工作齿面的2%，或对单齿占4%。

对于硬化齿轮，其大小齿轮点蚀面积占全部工作齿面的0.5%，或单齿占4%。

2 轮齿损伤和失效形貌2.1 磨料磨损和过度磨损失效在动力齿轮传动中，齿面的磨损通常是不可避免的，但是如果齿面出现磨料磨损和过度磨损就不正常了。

磨料磨损的指由于悬浮或混在润滑剂中的坚硬微粒（如金属碎屑、锈蚀物、砂粒、研磨粉等）在齿面啮合相对运动中，使齿面材料移失或错位。

有时齿面上嵌入坚硬微粒，也会造成磨料磨损。

磨料磨损的结果是使轮齿失去渐开线齿形而失效。

由于存在坚硬的微粒，因此齿面上常常出现径向划痕。

轮齿过度磨损的形貌类似于磨料磨损，齿面上材料也很快大量移失，齿轮因而失效。

轮齿的干涉磨损是由于一个齿轮齿顶或另一个齿轮齿根的材料过多引起的（当载荷过大、轮齿变形剧增也可能引起轮齿的干涉磨损），其结果是刮去和磨去两齿轮轮齿齿顶和齿根的材料，使齿根部挖出沟槽、齿顶部滚圆。

2.2 胶合失效轮齿的胶合是由于齿面上不平的峰谷在接触时产生局部高压，使其熔焊在一起，而后随着齿面的相对运动促使结点发生塑性变形和破裂，导致齿面材料的损失和迁移。

胶合的特征形貌是在垂直于节线方向（与滑动方向一致）出现不同程度的划痕（胶合线）。

在一般用途的齿轮装置中轻微的胶合并不影响正常使用，但是如果出现破坏性胶合——胶合线较深，几乎连成一片，齿面上的金属被大量撕脱，工作节线明显暴露出来，正常的齿廓被破坏，轮齿就失效了。

2.3 齿面疲劳失效齿轮在运转过程中，受到周期性变化的接触应力的作用，当接触应力超过一定值时，就会在齿面上产生微小的疲劳裂纹。

此疲劳裂纹不断扩展、延伸，最终使小块金属脱落，形成不同形状的小凹坑。

齿面金属材料移失并出现凹坑是齿面疲劳损伤的特征形貌。

根据凹坑形状和起因不同，齿面疲劳有点蚀、片蚀、剥落和表层压碎几种损伤和失效形式。

2.3.1 扩展性点蚀在一般的齿轮传动装置中，齿面上出现不扩展的初期点蚀，并不影响齿轮的使用；但是，如果齿面出现扩展性点蚀（破坏性点蚀），破坏了齿面的正确形状，齿轮将很快失效。

扩展性点蚀一般首先出现在靠近节线的下齿面上，点蚀坑较大、较深，并有不断扩展的趋势；有时虽然会有一些间断的抑制，但随后又进一步扩展，直至连成一片，最终导致齿轮失效。

2.3.2 片蚀和剥落片蚀的特征是齿面材料有较大面积的薄碎片脱落，使齿面出现似倒三角形的深度大致相同的浅坑。

剥落特别用来表示脱落的碎片厚于齿面硬化层，且形状不规则的类似于片蚀的损伤。

片蚀和剥落的主裂纹通常发生在与齿面平行的次表层；随着裂纹的扩展，裂纹上部的金属就会碎裂脱落，形成蚀坑。

2.3.3 表层压碎表层压碎常发生在齿面硬化的齿轮上，其裂纹通常在表层与芯部的过渡区扩展，致使大块表层材料碎片脱落。

这是一种严重的剥落形式。

扩展性点蚀、片蚀、剥落和表面压碎都会破坏正常的齿面形状，从而使齿轮失效。

2.4 轮齿折断轮齿折断是一种危险很大的最终失效形式，它可以细分为以下几种。

2.4.1 过载折断轮齿受到一次或很少几次严重过载时，就可能发生过载折断。

过载折断的断口一般都在齿根部位。

断口比较平直，并且具有很粗糙的特征。

2.4.2 疲劳折断轮齿经高循环次数的作用，在齿根产生疲劳裂纹，导致轮齿疲劳折断。

疲劳折断的断口分为疲劳断口面和最终（静断）断口面两个不同区域，在疲劳区域内看不到塑性变形的痕迹，断口较平滑，无光泽；而最终断口面的形貌与过载折断的相似。

对于斜齿轮或严重偏载的直齿轮，疲劳折断可能发生在轮齿的端部。

2.4.3 随机折断轮齿的折断通常发生在齿根部位，但是某些偶然的因素，例如齿面点蚀、剥落等产生的应力集中和材料的缺陷等，就可能造成齿轮的随机折断。

随机折断的断口形貌与一般疲劳断齿相似。

2.5 电蚀失效由于某种原因，两齿轮啮合齿面之间出现一定的电位差，齿面间就会放射出电弧或电或火花，使齿面上形成许多边缘光滑的小坑——电蚀坑。

如在电子显微镜下观察电蚀的齿面，可以看到电蚀坑中有金属熔化的痕迹。

电蚀坑形成的机理类似于电火花加工。

当电蚀现象严重时，齿面会出现条状电蚀带，齿面损坏很快，齿轮随之失效。

这种电蚀现象往往在大功率高速齿轮箱的齿轮传动中可以看到。

2.6 其他的最终失效在齿轮失效分析中，上述几种失效形式是较常见的。

其他的一些轮齿失效形式如轮齿塑性变形、腐蚀等，一旦发生也可能造成最终失效。

3 诱发轮齿损伤和失效的主要原因由于轮齿工况不同，材质各异，环境条件也有差别，因此产生上述轮齿主要失效形式的诱因往往很复杂，但可以从以下几个方面进行分析、查找。

3.1 设计方面的失误齿轮装置的设计，技术上要求较高，并且要有一定的经验。

因此，由于齿轮设计的失误而造成齿轮失效的事故时有发生，例如：3.1.1 对作用在轮齿上载荷估计不足轮齿上所受的载荷一般可分三部分，即：名义载荷，可视为齿轮传递的名义功率。

外部动载荷，它取决于原动机、从动机的特性、轴和联轴器系统的质量、刚度以及运行状态。

内部动载荷，这是由于齿轮本身制造误差、轮齿刚度等因素产生的载荷。

通常精确确定轮齿上的载荷是非常困难的较好的办法是进行实测或对传动系统进行全面分析。

但是，这种复杂的方法不是处处可以采用的，因此在齿轮设计中，对载荷估计不足是常见的。

3.1.2 齿轮装置结构的设计不合理例如轴承安装方式或安装位置不合适，轴或齿轮箱的刚度太差，密封不可靠，箱体散热面积不足等，都可能导致轮齿不同形式的损伤和失效。

3.1.3 确定齿轮参数不合适例如齿轮的模数、齿宽系数、侧隙、顶隙、齿根圆角的形状、齿廓修缘、齿向修形等确定得不合适，从而影响齿轮的寿命。

例如齿宽（齿宽系数）过大，即使是精确制造的齿轮副，也会因轴和箱体、轴承的变形而使齿轮出现严重偏载现象；过分的齿廓修缘会使齿轮传动的重合度减少，从而达不到降低噪声的目的。

3.1.4 材料选用不合适齿轮材料种类、牌号应根据齿轮的具体使用条件来选定，例如，大模数的调质齿轮就应选用淬透性好的材料，否则轮齿上下齿面的硬度就不可能一致；选用45钢来做调质齿轮也是一种不合适的选择，因为调质后的黑白组织滚切加工的性能很差，齿面很粗糙，非常容易产生点蚀。

此外，大小齿轮不同材料的匹配也很重要，合适的匹配可以减少齿面胶合的危险性。

3.1.5 润滑系统设计有误齿轮装置的润滑方法、润滑油性能和油量等如果处理不好，可能使齿面产生胶合、过热和过度磨损等失效。

3.2 材料和热加工方面的失误齿轮材料化学成分和力学性能不合格，内部有缺陷等是诱发齿轮失效的重要原因之一。

齿轮材料的热加工是指毛坯的锻造和齿轮的热处理。