齿轮及润滑基础知识

齿轮及润滑知识

齿轮 - 基本定义

齿轮是能互相啮合的有齿的机械零件。

直齿圆柱齿轮各部分的名称和基本参数

齿轮模数标准系列

标准直齿圆柱齿轮轮齿各部分的尺寸计算

齿轮可按齿形、齿轮外形、齿线形状、轮齿所在的表面和制造方法等分类。

1）齿轮的齿形包括齿廓曲线、压力角、齿高和变位。

渐开线齿轮比较容易制造，因此现代使用的齿轮中渐开线齿轮占绝对多数，而摆线齿轮和圆弧齿轮应用较少。在压力角方面，以前有些国家采用过14.5°和15°，但是多数国家已统一规定为20°小压力角齿轮的承载能力较小；而大压力角齿轮，虽然承载能力较高，但在传递转矩相同的情况下轴承的负荷增大，因此大压力角齿轮仅用于特殊情况。齿高已标准化，一般均采用标准齿高。变位齿轮优点较多，已遍及各类机械设备中。

2）齿轮按其外形分为圆柱齿轮、锥齿轮、非圆齿轮、齿条、蜗杆-蜗轮。

3）按齿线形状齿轮分为直齿轮、斜齿轮、人字齿轮、曲线齿轮。4）按轮齿所在的表面齿轮分为外齿轮、内齿轮。外齿轮齿顶圆比齿根圆大；而内齿轮齿顶圆比齿根圆小。

5）按制造方法齿轮分为铸造齿轮、切制齿轮、轧制齿轮、烧结齿轮等。

材料和热处理对齿轮的承载能力和尺寸、重量有很大的影响。20世纪50年代前多用碳钢，60年代改用合金钢，而70年代多用表面硬化钢。齿面按硬度可区分为软齿面和硬齿面两种。

1）软齿面：齿面硬度HB≤350,在调质或正火热处理之后进行精切齿。

这种齿轮承载能力较低，但制造比较容易，跑合性好，用于传动尺寸和重量无严格限制以及小量生产的一般机械中。因为配对的齿轮中小轮负担较重，为使大小齿轮工作寿命大致相等，小轮齿面硬度比大轮的高HB20～50。

2）硬齿面:齿面硬度HB＞350。这种齿轮承载能力高,在齿轮精切之后进行淬火、表面淬火或渗碳淬火,一般齿面硬度HRC45～65。但在热处理中,齿轮不可避免地产生变形，因此在热处理之后须进行磨削、研磨或精切，以消除因变形产生的误差，提高齿轮的精度。如果硬齿面齿轮精度不够，其承载能力往往不如软齿面的。经渗氮处理的齿面硬度HV≥600,抗胶合能力较高。由于渗氮时温度较低，齿轮的变形很小,可不再进行机械加工,但渗氮层较薄，适于制造小尺寸的齿轮，但不能承受冲击载荷或磨料磨损。

齿轮是现代机械中应用最广泛的重要基础零件之一。齿轮类型很多，有直齿轮、斜齿轮、人字齿等，齿面硬度有软齿面和硬齿面，齿轮转速有高有低，传动装置有开式装置和闭式装置，载荷有轻重之分，因此影响因素很多，所以实际应用中会出现各种不同的失效形式。齿轮的失效主要发生在轮齿部分，其常见失效形式有：轮齿折断、齿面点蚀、齿面磨损、齿面胶合和齿面塑性变形五种。

1 轮齿折断

轮齿折断有多种形式，在正常情况下，有以下两种： 1）过载折断。对于由铸铁或高硬度合金钢等脆性材料制成的齿轮，由于严重过载或受到冲击载荷作用，会使齿根危险截面上的应力超过极限值而发生突然断齿。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）疲劳折断。①疲劳断齿由于轮齿根部在载荷作用下所产生的弯曲应力为脉动循环交变应力，以及在齿根圆角、加工刀痕、材料缺陷等应力集中源的复合作用下，会产生疲劳裂纹。裂纹逐步蔓延扩展，最终导致轮齿发生疲劳断齿。3）局部断齿。当齿面加工精度较低、或齿轮检修安装质量较差时，沿齿面接触线会产生一端接触、另一端不接触的偏载现象。偏载使局部接触的轮齿齿根处应力明显增大，超过极限值而发生局部断齿。局部断齿总是发生在轮齿的端部。齿面较小的直齿轮常发生全齿折断，齿面较大的直齿轮，因制造装配误差易产生载荷偏置一端，导致局部折断；斜

齿轮和人字齿齿轮，由于接触线倾斜，一般是局部齿折断。

为了提高齿轮的抗折断能力，除设计时满足强度条件外，还可采取下列措施：①采用高强度钢；②采用合适的热处理方式增强轮齿齿芯的韧性；③增大齿根过度圆角半径，消除齿根加工刀痕，齿根处强化处理；④加大齿轮模数；⑤采用正变位齿轮。

为避免轮齿折断，设计时要进行轮齿弯曲疲劳强度计算和静弯曲强度计算。

2 齿面磨损有磨粒磨损和跑合磨损两种。

在齿轮传动中，随着工作环境的不同，齿面间存在多种形式的磨损情况。当齿面间落入铁屑、砂粒、非金属物等磨粒性物质或粗糙齿面的摩擦时，都会发生磨粒磨损。齿面磨损后，引起齿廓变形，产生振动、冲击和噪声，磨损严重时，由于齿厚过薄而可能发生轮齿折断。磨粒磨损是开式齿轮传动的主要失效形式。

新的齿轮副，由于加工后表面具有一定的粗糙度，受载时实际上只有部分峰顶接触。接触处压强很高，因而在开始运转期间，磨损速度和磨损量都较大，磨损到一定程度后，摩擦面渐渐光洁，压强减小、磨损速度缓和，这种磨损成为跑合。人们有意的使新齿轮副在轻载下进行跑合，为随后的正常磨损创造条件。但应注意，跑合结束后，必须清洗和更换润滑油。

提高抗磨粒磨损能力的措施：①改善密封条件（采用闭式传动代替开式传动或加防护装置）；②提高齿面硬度；③改善润滑条件、在润滑油中加入减摩添加剂、保持润滑油的清洁。

3 齿面点蚀

由于齿面接触应力是按脉动循环变化的（其工作表面上任一点产生的接触应力系由零增加到一最大值），应力经多次反复后，轮齿表层下一定深度产生裂纹，裂纹逐渐发展扩大导致轮齿表面出现疲劳裂纹，疲劳裂纹扩展的结果是使齿面金属脱落而形成麻点状凹坑，这种现象就称为齿面疲劳点蚀。发生点蚀后，齿廓形状遭破坏，传动的平稳性受影响并产生振动与噪声，以至于齿轮不能正常工作而使传动失效。实践表明，疲劳点蚀首先出现在齿面节线附近的齿根部分，这是因为节线附近齿面相对滑动速度小，油膜不宜形成，摩擦力较大，且节线处同时参与啮合的轮齿对数少，接触应力大。点蚀是润滑良好的闭式齿轮传动的主要失效形式，在开式传动中，由于磨粒磨损比点蚀发展得快，因此不会出现点蚀。当硬齿面齿轮热处理不当时，沿表面

硬化层和芯部的交界层处，齿面有时会成片剥落，称为片蚀。

点蚀有两种情况：①初始点蚀（亦称为收敛性点蚀）通常只发生在软齿面（HB＜350）上，点蚀出现后，不再继续发展，甚至反而消失。原因是微凸起处逐渐变平，从而扩大了接触区，接触应力随之降低。

②扩展性点蚀发生在硬齿面（HB＞350）上，点蚀出现后，因为齿面脆性大，凹坑的边缘不会被碾平，而是继续碎裂下去，直到齿面完全损坏。

提高齿轮的接触疲劳强度的措施：①提高齿面硬度和降低齿面粗糙度；②合理选用润滑油粘度，采用黏度较高的润滑油（实践证明：润滑油黏度越低，越易渗入裂纹，点蚀扩展越快）；③减小动载荷；

④采用正变位齿轮传动，增大综合曲率半径。

设计时为避免齿面点蚀，应进行齿面接触疲劳强度计算。

4 齿面胶合

胶合是比较严重的黏着磨损，一般发生在齿面相对滑动速度大的齿顶或齿根部位。互相啮合的轮齿齿面，在一定的温度或压力作用下，发生粘着，随着齿面的相对运动，粘焊金属被撕脱后，齿面上沿滑动方向形成沟痕，这种现象称为胶合。胶合发生在高速重载齿轮传动中，使啮合点处瞬时温度过高，润滑失效，致使相啮合两齿面金属尖峰直接接触并相互粘连在一起，造成热胶合；发生在重载低速齿轮传动中，不易形成油膜，或由于局部偏载使油膜破坏，会造成冷胶合。齿面一旦出现胶合，不但齿面温度升高，而且齿轮的振动和噪声也增大，导致失效。

提高抗齿面胶合的方法有：①减小模数，降低齿高，降低滑动系数；②加入极压添加剂的润滑油；③采用齿廓修形，提高传动平稳性；采用抗胶合能力强的齿轮材料；④提高齿面硬度和降低齿面粗糙度；

⑤材料相同时，使大、小齿轮保持适当硬度差。

5 齿面塑性变形

塑性变形属于轮齿永久变形，是由于在过大的应力作用下，轮齿材料处于屈服状态而产生的齿面或齿体塑性流动所形成的。当轮齿材料较软，载荷很大时，轮齿在啮合过程中，齿面油膜被破坏，摩擦力增大，而塑性流动方向和齿面所受摩擦力的方向一致，齿面表层的材料就会沿着摩擦力的方向产生塑性变形。齿面塑性变形常发生在齿面材料较软、低速重载的传动中。常出现在低速重载、频繁启动和过载传动中。主动轮齿上所受摩擦力是背离节线分别朝向齿顶及齿根作用