齿轮的失效分析

齿轮的失效分析

目录

一、结构特性及工作状况

（一）结构特性

（二）齿轮的受力分析

二、齿轮的失效形式齿面点蚀

（一）齿面点蚀

（二）轮齿折断

（三）齿面磨损

（四）齿面胶合

（五）齿面塑形变形

三、其他因素对失效的影响

（一）材料对齿轮的失效影响

（1）锻钢

（2）铸钢

（3）铸铁

（4）非金属材料

（二）润滑对齿轮失效的影响

（1）温度

（2）速度

（3）负荷（压力）

（4）击负荷

（5）齿轮类型

（三）设计方面的失误对齿轮失效的影响

四、齿轮材料的合理选择预防齿轮失效

（一）满足材料的机械性能

（二）满足材料的工艺性能

（三）材料的经济性要求

齿轮的失效分析

论文摘要：

包括齿轮的受力分析及服役条件，齿轮的失效形式及影响，齿轮材料的合理选择预防齿轮失效

关键词：失效分析齿轮传动

引言

在机械工程中，齿轮传动应用甚为广泛，齿轮传动是机械传动中一种重要的传动方式，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导致整体设备不能正常工作。

一、结构特性及工作状况

（一）结构特性

齿轮传动具有传动比准确、传动平稳、传递运动工作可靠，传动效率高，结构紧凑，使用寿命比较长等优点。齿轮传动适用范围很广、传递功率从很小到数万千瓦；齿轮直径从小于1mm到10m左右；传动比的范围也很大。所以，齿轮传动得到广泛的应用。

按齿轮传动的工作条件可以分为闭式传动、开式传动和半开式传动三种。

闭式传动封闭在箱壳内保证良好润滑。开式传动是外漏的，不能保证良好的润滑。半开式传动介于二者之间，大多侵入油池内而上装护罩。

齿轮工作条件很复杂。在不同的工作条件下使用的齿轮造成的特征是不同的。根据齿轮的工作特点，在传递功率和运动过程中、齿轮在力的作用下、在齿根产生弯曲应力，齿面产生接触应力，齿面间相对滑动摩擦而产生磨损。有时齿间存在间隙，在齿合过程中还会产生冲击，齿轮的主要失效特征是由于弯曲力矩作用而造成齿的变形和折断，由于接触应力作用而造成的表面疲劳剥落和由于摩擦作用而造成的磨损，由于齿轮工作时所受载荷和转速不同，对于不同材料会造成不同的失效形式。

（二）齿轮的受力分析

齿轮齿合时表面的法向力Fn对齿根造成弯曲应力，因此必须首先分析各类齿轮法相力Fn的计算方法

直齿圆柱齿轮的法相力

由图1可知，工作转矩T1由主动小齿轮1的转轴传到被动大齿轮2。与分度d1相切的工作周力为

Ft＝2T1/ d1 （1-1）

式中

F1--------分度圆的工作圆周力；

d1--------小齿轮的分度圆直径；

T1--------小齿轮转矩。

主动轮1的F1方向与转动方向相反，而被动轮2则与转向相同。齿处于合时才受载，所以齿上的载荷是变化的（见图1）作用在主动轮齿上的总压力垂直于齿面，即图2中法向力FN，法向力Fn可从圆周力F1求得

Fn＝FT/ cos a （1-2）

法相力Fn通过节点与基圆相切。a是分度圆端面压力角。

二、齿轮的失效形式齿面点蚀

（一）齿面点蚀

齿轮传动过程中，齿轮接触面上各点的接触应力呈脉动循环变化，经过一段时间后，会由于接触面上金属的疲劳而形成细小的疲劳裂纹，裂纹的扩展造成金属剥落，形成点蚀；

（二）轮齿折断

最常见的是弯曲疲劳折断、过载折断。轮齿受力后,在齿根部产生的弯曲应力最大,且在齿根过渡圆角处有应力集中。如果轮齿的交变应力超过了材料的疲劳极限,在齿根圆角处将产生疲劳裂纹,随着裂纹不断扩展

（三）齿面磨损

齿轮啮合传动时，两渐开线齿廓之间存在相对滑动，在载荷作用下，齿面间的灰尘，硬屑粒会引起齿面磨损。严重的磨损将使齿面渐开线齿形失真，齿侧间隙增大，从而产生冲击和噪音，甚至发生齿轮折断。在开式传动中，特别在多灰尘场合，齿面磨损是轮齿失效的主要形式。

（四）齿面胶合

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，而后随着齿齿面上的金属被大量撕脱，工作节线明显暴露出来，正常齿廓被破坏，轮齿就失效了。

（五）齿面塑形变形

塑性变形失效，是指在重载荷作用下表面会屈服所造成的表面变形。它又可以进一步分为压塌和飞边变形、波纹变形和沟条变形。

三、其他因素对失效的影响

（一）材料对齿轮的失效影响

齿轮的齿面应具有较高的耐磨损、抗点蚀、抗胶合及抗塑性变形的能力，而齿根要有较高的抗折断的能力。因此，对轮齿材料性能的基本要求为：齿面要硬、齿芯要韧。

常用的齿轮材料是钢、铸铁和非金属材料。

（1）锻钢

钢材的韧性好，耐冲击，还可以通过热处理或化学热处理改善其力学性能及提高齿面硬度，故最适应于用来制造齿轮。除尺寸过大（da＞400~600mm）或者是结构形状复杂只宜铸造者外，一般都用锻钢制造齿轮，常用的是含碳量在(0.15～0.6)%的碳钢或合金钢。制造齿轮的锻钢可分为：

软齿面（硬度≤350HBS）：经热处理后切齿的齿轮所用的锻钢对于强度、速度及精度都要求不高的齿轮，应采用以便于切齿，并使刀具不致迅速磨损变钝。因此，应将齿轮毛坯经过正火（正火）或调质处理后切齿。切制后即为成品。其精度一般为8级，精切时可达7级。这类齿轮制造简便、经济、生产效率高。硬齿面（硬度＞350HBS）：需进行精加工的齿轮所用的锻钢高速、重载及精密机器（如精密机床、航空发动机）所用的主要齿轮传动，除要求材料性能优良，轮齿具有高强度及齿面具有高硬度（如58～65HRC）外，还应进行磨齿等精加工。需精加工的齿轮目前多是先切齿，再做表面硬化处理，最后进行精加工，精度可达5级或4级。这类齿轮精度高，价格较贵，所以热处理方法有表面淬火、滲碳、氮化、软氮化及氰化等。所以材料视具体要求及热处理方法而定。合金钢根据所含金属的成分及性能，可分别使材料的韧性、耐冲击、耐磨及抗胶合的性能等获得提高，也可通过热处理或化学热处理改善材料的力学性能及提高齿面的硬度。所以对于既是高速、重载又要求尺寸小、质量小的航空用齿轮，就都用性能优良的合金钢（如20CrMnTi，20Cr2Ni4A等）来制造。

（2）铸钢铸钢的耐磨性及强度均较好，但应经退火及正火处理，必要时也可进行调质。铸钢常用于尺寸较大的齿轮。

（3）铸铁

灰铸铁性质较脆，抗冲击及耐磨性都较差，但抗胶合及抗点蚀的能力较好。灰铸铁齿轮常用于工作平稳、速度较低、功率不大的场合。

（4）非金属材料

对高速轻载及精度不高的齿轮传动，为了降低噪声，常用非金属材料（如夹布胶木、尼龙等）做小齿轮，大齿轮仍用钢或铸铁制造。为使大齿轮具有足够的抗磨损及抗点蚀的能力，齿面的硬度应为250～350HBS。

（二）润滑对齿轮失效的影响