齿轮失效分析与实例

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
齿轮失效分析与实例 试验分析部：袁红昆
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。
齿轮失效分析与实例 试验分析部：袁红昆
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
齿轮失效分析与实例 试验分析部：袁红昆
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
齿轮失效分析与实例 试验分析部：袁红昆
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
齿轮失效分析与实例 试验分析部：袁红昆
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。
齿轮失效分析与实例 试验分析部：袁红昆
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
齿轮失效分析与实例 试验分析部：袁红昆
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。
齿轮失效分析与实例 试验分析部：袁红昆
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
齿轮失效分析与实例 试验分析部：袁红昆
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
齿轮失效分析与实例 试验分析部：袁红昆
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