齿轮失效分析与实例
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引起冷塑变形。
料的屈服极限。
轮齿折断:齿轮一个或多个齿的整体或局部断裂。
疲劳折断:起源于齿根处的疲 高的交变应力多次作用的结 修改齿轮几何参数,降低齿
齿轮失效分析与实例 试验分析部:袁红昆
劳裂纹扩展造成的断齿。 果,齿根圆角半径过小,表 根表面粗糙度,正确的喷丸
面粗糙度过高,滚切加工时 处理,适当的热处理消除残
图 30 图中所示的表面淬硬偏轴伞齿轮产生 的齿面波纹皱、波纹、起棱、冷变形是高负 载齿轮上出现的典型现象
齿轮失效分析与实例 试验分析部:袁红昆
图 31 表面淬硬齿轮有起棱是由于过载造成
图 32 图示是中等硬度齿轮发生冷变形的过 程情况,此类齿轮较硬化齿轮更易产生齿面 金属移动现象,图中可以看出材料已卷到齿 顶边上,造成齿型损坏,重载是引起金属移 动的主因
表3 齿轮失效分布图
13%
24%
15% 20%
疲劳24%
撞击15%
麻点、剥落、渗碳层压碎 20% 外物落入齿合区10%
过量磨损、划伤、擦伤18%
其他13%
附录一:图例 附录二:齿轮失效分析实例
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图例
图 1 因润滑不良或啮合不正确引起的粘附 磨损
图 2 齿面的中等磨损使节线变得清晰可见 (箭头所示)多数由润滑油中磨料引 起与实例
失效分析已从一门综合技术发展成为一门新兴的综合性的学科。它研究失效 的形式、机理、原因,并提出预测和预防失效的措施,称为失效学。因此,它是 涉及广泛学科领域和技术范畴的学科。失效分析与其他学科的关系如图所示。
齿轮是传递运动和动力的重要零件,齿轮种类较多,工作环境不同,因此有 多种不同的失效形式,失效类型由失效齿轮的形貌和失效过程或机理确定的,失 效机理确定后,就可以确定失效原因,提出相应的对策。
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图 43 齿轮表面的肿包芒刺和隆起是出现在精加 工后的齿轮由于放置粗心使齿的棱边碰伤而致
图 44 右侧图是正常齿轮啮合情况,左侧图和中位图都是齿接触不良好的啮合情况,其接触 面集中在齿面的一端,会造成齿轮高速度运转时的尖叫噪音,但此类磨损一般不会造成进一 步的损坏事故
有损伤,材料中有夹杂物, 余应力。
残余应力影响。
过载断齿:断口较粗糙无疲劳 高的交变应力多次作用的结 修改齿轮几何参数,降低齿
断裂的特征。
果,齿根圆角半径过小,表 根表面粗糙度,正确的喷丸
面粗糙度过高,滚切加工时 处理,适当的热处理消除残
有损伤,材料中有夹杂物, 余应力。
残余应力影响。
18% 10%
图 18 渗碳层初始形式见左侧示图,最后阶 段剥落形式见右侧示图。初步分析可以判断 为过载造成,详细分析应作金相分析
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图 19 图示是典型的疲劳损坏,其特点是有 光滑的区域,过载和振动是造成损坏的原因
图 20 图示小齿轮中箭头所示三个齿发生疲 劳损坏,其余齿面是轻微的磨损
料缺陷,齿面软硬的过度层 力集中。
中裂纹的延伸扩展。
塑性变形:在过大应力作用下,轮齿材料因屈服产生塑性流动,而形成齿面和齿体的变形。
碾击塑变:在齿顶棱和齿端出 滚碾冲击作用,接触应力过 减小接触应力,提高材料硬
现飞边,齿顶滚圆节线附近有 高, 轮齿材料硬度过低,动 度 降低动载荷,采用极压添
沟槽、脊棱。
图 7 一种磨料磨损特别严重的形式轮齿的 大部分由于润滑剂中的磨料磨粒而损 坏
图 8 由润滑剂里的添加剂和污染物引起齿 面的腐蚀磨损
图 9 齿轮表面由于受化学腐蚀而损伤,一般 因润滑油、添加剂等引起,对齿面影 响极大并其发展趋势越来越严重
图 10 齿面麻点由很小的坑穴组成这些麻点 经过起初阶段后经常会“自痊”变好
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图 25 图所示断齿和另一齿上的裂纹,断齿 的断面不是光滑的,说明是一个瞬间的突然 断裂。图中可以观察到断面含有显著的夹渣 带(材料含杂质)它的作用象刻痕一样促进 缺陷的发展
图 26 齿面淬硬的齿轮的疲劳断裂,始于齿 根处,出现在图示箭头所指的齿的两侧,进 一步向齿根的中部发展而造成断裂。金相分 析可有助于进一步找出齿断裂的深层原因
图 33 中等硬度的齿轮由于碾压与撞击造成 表面变形,开始时由于超载造成初步损伤, 长期超载使用,硬度不够、造成变形
图 34 剧烈、过大的接触应力使齿轮表面产 生塑性流动,形成波纹,在齿面中心部位还 有表面材料碎裂的剥落产生,过载是主因
图 35 渗碳齿轮在节线附近产生麻点,沿节 线的波纹和齿顶轻微的粘附磨损显著可见, 超载是主因
表 1 齿轮折断的类型
分类
失效分析
磨损
轻微磨损 中等磨损 过度磨损 磨粒磨损
表面疲劳 塑性变形
折断
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腐蚀磨损 轻微胶合 中等胶合 破坏性胶合 局部胶合 早期点蚀 破坏性点蚀
剥落 碾击塑变
鳞皱 起脊 齿面塑变 疲劳折断 过载折断
表 2 失效的特征、部位及对策
损伤类型
方向形成明显的脊棱。
中,准双曲线齿轮传动中, 大、有极压添加剂的润滑油,
高接触应力和低滑动速度, 保证润滑油的清洁度。
不良润滑材料的塑性流动。
齿体塑变:轮齿歪扭,齿形剧 润滑失常造成剧烈的升温引 充分的润滑,提高润滑油的
变,硬齿面轮齿伴有变色现 起轮齿热塑变形,过大载荷 粘度,对冷塑变形应提高材
象。
磨粒磨损:轮齿接触表面沿滑 齿面间异物引起磨粒磨损, 改善润滑方式,提高润滑油
动方向有较均匀的条痕多次 在 开 式 齿 轮 传 动 中 更 为 严 粘度,提高工作速度,减轻
磨擦条痕重叠。
重。
载荷跑合后注意清洗,适时
换油开式齿轮箱采取适当防
护。
腐蚀磨损:齿面上呈现均匀分 轮齿材料发生电化学反应, 防止油液污染,添加剂的成
图 40 折断是齿轮尖部载荷过大造成,原因 是侧隙过小。同时,如振动载荷也可能造成 上述损坏,甚至整个环状轮齿断裂
图 41 因润滑不充分,齿轮之间的不正常磨 擦产生热,使金属软化,使齿面擦伤。磨损 的小齿轴轴承使小齿轮产生轴向位移,造成 齿环接触不正确,此类损坏,扭矩过大是原 因之一
图 42 环齿出现变色和变形,原因是润滑不 充分或油品不正确。表面过分摩擦和出现过 热是原因
斜造成偏载。
破坏性点蚀:靠近节线的齿根 齿面接触应力过大,节线附 提高齿面硬度,降低粗糙度
表面上,麻点不断扩展,噪声 近滑动速度方向变化,油膜 改善润滑。
增大。
不易形成。
剥落:齿面上材料成片状剥离。
剥落:形状不规则的片状剥落 硬齿面上过高的接触应力作 承载力不足应考虑重新设计
坑,较浅平而大的坑。
用,疲劳裂纹扩展形成,材 提高轮齿芯部硬度,减小应
合的现象,并不延伸、扩展。 荷集中,鼓形齿修形量过大, 散热应均匀,油的冷却与供
齿宽较大,局部温升引起变 油部位应适当。
形。
点蚀:齿面呈点状的齿面疲劳损伤。
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早期点蚀:有较小、数量不多 啮合齿面局部过载,齿形误 提高齿形精度,精心跑合。
的麻点。
差, 齿面凸凹不平,轴线歪
图 11 麻点产生在斜齿面的一端,原因是中 心线稍有失调麻点慢慢向中部进展表 面变抛光说明载荷沿齿面分配变均匀 这种麻点无害
图 12 图中有害的麻点是由过载造成的
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图 13 图内所示是由麻点毁坏的齿面
图 14 齿根发生麻点,其原因是接触应力过 啮合区域不正确,过载是主要原因
图 15 左图箭头所示是齿面剥落的第一阶段, 图 16 齿面产生严重的麻点和剥落在相邻齿 在齿的接触区域有扩展的裂纹,右图所示当 面上齿面被彻底损坏 大片碎片脱落时,齿面就彻底破坏了
图 17 图中所产生的齿面纵向裂纹是硬齿面 的渗碳层压碎,裂纹从渗碳层深部向表面延 伸,裂纹进一步发展将产生大块碎片从表面 脱落
齿轮失效类型可以分为四大类,磨损、表面疲劳、塑性变形和折断。每一大 类还可细分为几类,进而使分类更加精细和明确辨别特征失效的类型可见表一。 失效的特征、部位及对策见表二。齿轮的失效损伤除了以上类型和特征外,还可 有其他形式的损伤,如随机断裂各种材质缺陷造成的损伤、加工工艺不当造成的 淬火裂纹、磨削裂纹等。但此类损伤如在加工过程中加强质检是可以避免的,因 此在表二中未予列出。
图 21 图示油泵齿轮因疲劳而断裂断裂,从 齿根圆角处延伸到齿轮中心孔,齿面还伴随 有严重磨损
图 22 齿根的疲劳裂纹见图示箭头所示,造 成缺陷原因应进行金相分析
图 23 由于过度、重复重载引起齿轮折断, 在图示 A 的部位,可以看到因疲劳裂纹首先 折断的部位(断面光滑似天鹅绒般的区域)
图 24 疲劳折断的齿轮见图示,箭头指明方 向表示裂纹从左边缘开始,靠近齿受压侧的 底部,箭头指示部位是裂源,旁边区域是受 到充分的磨擦,裂纹起初发展缓慢
都有一定磨损,节线位置呈现 作,润滑系统中有小量的污 加入适当的添加剂,加强油
出一条近于连续的线。
染杂质。
液清洁度管理。
过度磨损:齿廓形状破坏,磨 润滑系统和密封装置不良, 对污染杂质增设过滤装置,
损率很高,节线附近有点蚀, 系统有严重振动,冲击载荷。 适时更换润滑油。
传动有噪音和振动。
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图 3 由于润滑不良和重压力下造成金属与 金属直接接触而产生该伤,图中磨损 表面的水平线是节线
图 4 划伤的早期阶段在齿轮上部显示出斑 点的覆霜似样式损伤在这个阶段是轻 微的
图 5 破坏性的刻伤如图重的刻伤发生在节 线以上或以下通常损伤会迅速发展至 齿轮不能使用
图 6 一种磨料轻微磨损的形式
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破坏性胶合:沿滑动方向呈现 润滑不充分,工作温度过高 保 证 一 定 条 件 下 良 好 的 润
明显粘撕痕迹,齿顶有明显的 齿面接触应力或速度过高引 滑,采用极压或特殊高粘度
材料移失迹象齿廓毁坏 振 起的过热。
的润滑油。
动,噪音增大。
局部胶合:局部区域有齿面胶 由于安装制造误差,引起载 安装精度适当,修形量适当
齿面上沿滑动方向有极轻微 况不协调或轻微干涉存在而 排除干涉的起因。
而细密的伤痕(一条喑带), 引起。
有时要借助显微镜才能见到
痕迹。
中等胶合:齿顶部、齿根部均 齿轮啮合处局部温度过高, 降低油温:使用极压添加剂
有滑动方向的粘撕伤痕, 较 破
的润滑油,降低齿面表面粗
软齿面更明显。
坏润滑油膜。
糙度,降低载荷及速度。
图 36 图中齿轮啮合接触部分已全部损坏, 重载和润滑不良是主因
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图 37 小齿轮由于严重的麻点和粘附磨损而 损坏,过大的超载和润滑不足是产生此类缺 陷的原因
图 38 齿轮因敲击和疲劳而断裂,严重超载 和润滑不足引起此损坏
图 39 因调整不当引起锥齿轮的齿断裂,由 于锥齿轮的齿轮踵部载荷过大造成,原因是 齿侧隙过大
图 27 图中齿顶已碎掉 过载产生的过大应 力引起裂纹 进一步的疲劳造成裂纹的发展 直至齿顶破碎如果此过程在短时间内发生 表明齿面硬度过高 可通过金相分析来验证
图 28 图示渗碳齿轮角部已被敲掉,表明齿 角在破裂之前受到多次重复的冲击(撞击), 此时不适当的撞击是造成破坏的原因
图 29 淬硬正齿轮断面上呈灰色颗粒状外观 的是典型的撞击缺陷造成
布的腐蚀麻坑,齿面沿滑动方 由磨擦、冲刷形成腐蚀磨损, 分和含量适当,建立合理的
向伴有腐蚀痕迹。
高温时极压添加剂形成磨蚀 工艺规程。
介质。
胶合:相啮合的齿面金属在一定压力下直接发生粘着,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现象。
轻微胶合:靠近齿顶或齿根的 运转初期润滑条件与工作情 控制起动过程的润滑及载荷
载荷太大以及润滑不良。 加剂和高粘度润滑油,保证
制造、 安装精度。
鳞皱:齿面塑变呈鱼鳞状皱 润滑不良及高压强作用,齿 提高齿面硬度,改善润滑,
纹,并垂直于滑动速度方向。 面“爬行”的结果,低速度、 提
振动引起齿面塑性流动。 高速度,控制齿面的振动。
起脊:整个工作齿面上沿滑动 常 发 生 在 重 载 的 蜗 杆 传 动 提高材料的硬度,采用粘度
损伤原因
对策
磨损:齿轮在啮合过程中,轮齿接触表面材料的摩擦损耗现象。
轻微磨损:接触表面上的微凸 轮齿接触表面的粗糙度与润 此为轻微磨损过程,可适时
体逐渐磨平,直至出现非常光 滑粘度,齿面工作速度,工 更换润滑剂。
滑的表面为止。
作
载荷不匹配。
中等磨损:节线上下齿面材料 齿 轮 在 边 界 润 滑 状 态 下 工 提高润滑油粘度,降低油温