影響齒輪失效的因素分析

　　摘 要： 齒輪是機械傳動中使用較多的零件，本文對齒輪材料的選擇、熱處理、加工方法、潤滑劑、齒輪的安裝和工作溫度等因素進行了探討，分析了解齒輪失效的原因。
　　關鍵詞： 齒輪失效 影響因素 四個方面
　　
　　齒輪是機械設備中廣泛使用的一種機械傳動零件，齒輪傳動就是通過一對齒輪輪齒互相嚙合來傳遞空間任意兩軸間的運動和動力，并可以改變運動的形式和速度。齒輪傳動使用范圍廣，傳動比恒定，效率較高，使用壽命長，是機器的重要機構。由于質量和使用等問題，齒輪會出現失效的現象，常見的輪齒失效形式有：輪齒折斷、齒面點蝕、齒面膠合、齒面磨損、齒面塑性變形，等等。
　　齒輪失效常常導致傳動系統或整機的故障，從而導致重大安全事故。因此只有握齒輪失效形成的原因，才能避免故障的發生，齒輪失效的原因可從以下四個方面去探究。
　　一、齒輪材料選擇的影響
　　我們在機械零件產品的設計與制造過程中，不僅要考慮材料的性能能夠適應零件的工作條件，使零件經久耐用，而且要求材料有較好的加工工藝性能和經濟性，以便提高零件的生產率，降低成本，減少消耗。對于齒輪也一樣，如果齒輪材料選擇不當，則會出現零件過早損傷，甚至失效。因此合理地選擇和使用齒輪的金屬材料是一項十分重要的工作。齒輪常用的材料為鍛鋼、鑄鋼、鑄鐵，以及非金屬材料。一般先考慮材料的使用性能應滿足零件的使用要求。使用性能是指零件在正常使用狀態下，材料應具備的性能，包括力學性能、物理性能和化學性能。使用性能是保證零件工作安全可靠、經久耐用的必要條件。不同機械零件要求材料的使用性能是不一樣的。在保證使用性能的基礎上，選材時要根據零件的實際工作條件和失效形式，正確地判斷所要求的主要性能，再根據主要的使用性能指標來選擇較為合理的材料；齒輪的工作條件不同，輪齒的破壞形式不同，是確定齒輪強度計算準則和選擇材料與熱處理的根據。有時還需要進行一定的模擬試驗證才能最終確定零件的材料。對于一般的機械零件，則主要以其力學性能作為選材依據。在對零件的工作條件、失效形式進行全面分析，并根據零件的幾何形狀和尺寸、工作中所受的載荷及使用壽命，通過力學計算確定出零件應具有的主要力學性能指標及其數值后，就可以利用手冊選材。其次考慮材料的工藝性應滿足加工要求。材料的工藝性是指材料適應某種加工的能力。在選材中，與使用性能相比，材料的工藝性能常處于次要地位。工作條件的要求是選擇齒輪材料時首先應考慮的因素，合金鋼常用于制作高速、重載并在沖擊載荷下工作的齒輪。如用于飛機的齒輪，要滿足質量小、傳遞功率大和可靠性高的要求，因此必須選擇力學性能高的合金鋼。如要求齒輪尺寸盡可能小，應采用表面硬化處理的高強度合金鋼。如果用鍛造成形，最好選用組織呈固溶體的合金；如果是焊接成形，最適宜的材料是低碳鋼或低碳合金鋼?，F在國內使用比較多的是18ＧｒＭｎＴｉＨ、20GrMnTiH、20GrMnTiH2、20GrMnTiH3、20GrMnTiH5、SOM822H、20GrMoH、8620RH、1141等系列產品。礦山機械中的傳動齒輪，一般功率很大、工作速度較低，周圍環境中粉塵含量極高，則往往選擇鑄鋼或鑄鐵等材料。金屬材料如果用鑄造成形，最好選擇共晶成分或接近共晶成分的合金；家用及辦公用機械的功率很小，但要求傳動平穩、低噪聲或無噪聲，以及能在少潤滑或無潤滑狀態下正常工作，因此常選用工程塑料作為齒輪材料。最后應充分考慮經濟性。選材時應注意降低零件的總成本。零件的總成本包括材料本身的價格、加工費、管理費及其他附加費用（如零件的維修費等）。據資料統計，在一般的工業部門中，材料的價格要占產品價格的30%—70%。因此，在保證使用性能的前提下，應盡可能選用價廉、貨源充足、加工方便、總成本低的材料，以取得最大的經濟效益，增強產品在市場上的競爭力。
　　材料選擇不當，不但經濟受到損失，而且會使齒輪失效提前。
　　二、熱處理工藝的影響
　　1.正火
　　正火能消除內應力、細化晶粒、改善力學性能和切削性能。機械強度要求不高的齒輪可用中碳鋼正火處理。大直徑的齒輪可用鑄鋼正火處理。對碳鋼齒輪，由于碳鋼的淬透性低，在設計大尺寸時，正火和調質效果相似，而正火可降低成本，不必要求調質。沒有進行正火處理或者是正火處理不夠徹底所容易有異常的原始奧氏體晶界和晶粒位向存在，從而淬裂傾向增大。
　　2.調質
　　調質一般用于中碳鋼和中碳合金鋼。例如45、40Cr、35SiMn等。調質處理后齒面硬度一般為220—260HBS。因硬度不高，故可在熱處理以后精切齒形，且在使用中易于跑合。軟齒面輪齒一般熱處理是調質或正火，通常硬度在180—280HBS之間。大模數高質齒輪由于受到鋼材淬透性的限制，應當開齒后調質。
　　3.表面淬火
　　一般用于中碳鋼和中碳合金鋼，例如45鋼、40Cr等。表面淬火后輪齒變形不大，可在不磨齒的情況下達到7級精度，齒面硬度可達52—56HRC。由于齒面接觸強度高，耐磨性好，而齒芯部未淬硬仍有較高的韌性，故能承受一定的沖擊載荷。表面淬火的方法有高頻淬火和火焰淬火等。硬齒面輪齒是在精加工后進行最終熱處理的，其熱處理方法常為滲碳淬火、表面淬火等，通常硬度為40—60HRC。最終熱處理后，輪齒不可避免地會產生變形，因此可用磨削或研磨的方法加以消除。需要注意的是鋼中的氫主要是由金屬爐料、造渣材料和爐內空氣所含的水汽，以及耐火材料中的有機化合物、水分和錠模涂料等產生。隨著鋼的溫度降低，氫聚積在鋼的顯微空隙中并結合成分子狀態，使其在鋼中的擴散更困難，形成巨大的局部內壓力，超過鋼的破斷強度而使鋼產生內部破裂，即白點。這些白點在進行熱處理的過程中，受到熱處理淬火應力的作用就會進一步得到擴展。另外要求對齒輪的齒根和齒面進行硬化處理，其目的是提高承受最大彎曲正應力處且又是應力集中部位的齒根的表面硬度、提高抗彎曲疲勞強度。齒面的硬化處理目的是提高齒面的耐磨性和接觸疲勞性能，按技術要求，齒面和齒根淬硬層硬深2—4mm。這樣就是部分元素含量偏低也不會造成該齒輪斷裂。但是如果淬火造成硬化層深度分布不均，其中一側硬化層深度不滿足技術要求，齒根無淬硬層，硬化層深度分布不均，齒根不淬硬，均會造成齒根的抗彎曲疲勞強度嚴重不足。同時齒根過渡圓角偏小又有縱向刀痕時，引起較大的應力集中，則在齒根處就會形成彎曲疲勞斷裂。
　　4.滲碳淬火
　　對齒輪滲碳淬火是制造齒輪的常用工藝之一。滲碳鋼為含碳量0.15%—0.25%的低碳鋼和低碳合金鋼，例如20、20Cr等。滲碳淬火后齒面硬度可達56—62HRC，齒面接觸強度高、耐磨性好，而齒芯部仍保持有較高的韌性，常用于受沖擊載荷的重要齒輪傳動。通常滲碳淬火后變形較大，需要磨齒。在對齒輪進行滲碳，以及后的淬火工藝過程中，有許多因素都會引起淬火裂紋的出現。如原材料是否合格；鋼材在鍛打過程中是否動作規范；滲碳過程中碳勢控制是否正常及穩定；滲碳及淬火加熱、保溫過程中溫度是否偏高；以及淬火介質的質量，回火是否及時充分，等等。齒輪滲碳淬火在滲碳碳勢偏高或淬火后低溫回火不充分或不及時時，有可能會出現齒面磨削裂紋。如果控制正常，就不會出現磨削裂紋。超差材料制造的齒輪在調質時未出現淬火裂紋，在經過滲碳處理而表面大幅度增碳后，即使滲碳處理過程正常，但由于合金元素嚴重超差，在淬火時也會出現裂紋。
　　5.滲氮
　　滲氮是一種化學熱處理。滲氮后不再進行其他熱處理，齒面硬度可達60—62HRC。因氮化處理溫度低，齒的變形小，所以適用于難以磨齒的場合（例如內齒輪）。氮化層一般不厚且較脆，故不宜用于有沖擊的場合。常用于含鉛、鉬、鋁等合金元素的滲氮鋼，如38CrMoAlA。在熱處理過程中特別要注意鋼中化學成分的偏析現象，它容易造成齒輪斷裂。
　　
　　三、齒輪加工方法引起的影響
　　齒輪傳動是一對齒輪的輪齒相互嚙合，這就要求嚙合的一對齒輪的輪齒表面要嚙合平穩，并且能夠承受一定的載荷。要嚙合平穩，輪齒表面的曲線就要加工得好，輪齒表面的曲線一般有擺線、漸開線、圓弧線，使用較多的是漸開線。漸開線加工的方法一般有兩種成形法和展成法。成型法就是直接使用齒輪成型銑刀將齒谷銑出，優點是在銑床上就能獲得齒輪，缺點是為了減少刀具的數量而將齒數分段，在一段齒數內用一把刀，從而齒型會帶來系統誤差。展成法是利用輪廓與被切齒輪輪廓相共軛的刀具（或磨具），并通過輪坯與刀具間的展成運動將齒切出，展成法切齒能用一把刀具（或磨具）加工同一模數中不同齒數的齒輪，在齒輪加工中應用最廣，常用的有插齒、滾齒、剃齒、珩齒、磨齒。不同的加工方法會引起不同的誤差，使兩輪齒嚙不平穩，造成震動，加劇齒輪的磨損。還要注意表面的粗糙度，當摩擦副的表面粗糙度低時，由于參與剪切及犁削作用的微凸峰高度小，因而產生的磨屑尺寸也小，可能嵌藏在試件表面溝槽內，使得表面的磨損強度大為降低，甚至不出現，改善了摩擦副的磨損性能。當摩擦副表面粗糙度高時，參與剪切及犁削作用的微凸峰高度較大，產生的磨屑尺寸也較大，容易生成大尺寸硬質磨屑，或較高隆脊。隆脊在后繼輪齒的碾壓過程中折斷、脫落形成磨屑，隨著大尺寸磨屑的生成增多，摩擦副表面的磨損加劇，粗糙度增高，磨損相應增大。另外，刀具加工的痕跡，在齒輪嚙合過程中，會加大磨損，易產生裂紋，要引起重視。
　　四、潤滑劑的影響
　　齒輪傳動的潤滑方式，主要取決于齒輪圓周速度的大小。對于速度較低的齒輪傳動或開式齒輪傳動，采用定期人工加潤滑油或潤滑脂。對于閉式齒輪傳動，當齒輪圓周速度v＜12m/s時，采用大齒輪浸入油池中進行浸油潤滑；當v＞12m/s時，為了避免攪油損失，常采用噴油潤滑。潤滑油對齒輪的疲勞點蝕壽命有影響，而且影響很大，潤滑油選用不當或潤滑油質量不高，可使疲勞點蝕壽命降低一半；選用高性能潤滑油可使疲勞點蝕壽命提高2—3倍，而高性能潤滑油的關鍵在添加劑的合理復配。潤滑油的黏度過高，潤滑油就難以被輸送到齒輪的嚙合處，潤滑不足時，最容易出現齒輪的磨損。與無潤滑相比，良好的潤滑可以提高傳動部件的使用壽命：淬火件的壽命可提高20%，非淬火件的壽命可提高200%。
　　另外齒輪傳動機構安裝的質量和工作的溫度也對齒輪的失效有很大的影響。齒輪的配合也受到齒輪的形狀和位置偏差，以及軸線平行度的影響。小齒輪和大齒輪的齒厚（實際）尺寸和軸的中心距尺寸加上相應齒輪要素的偏差，還有齒輪輪齒的側隙，即在工作直徑處非工作齒面間的間隙。由于工作側隙是由裝配側隙和工作狀態確定的，它們包括撓度、安裝誤差、軸承的徑向跳動、溫度，以及其他未知因素的影響。這些都會造成齒輪嚙合不準確，而使齒輪失效加快，也會使溫度上升過高，出現輪齒齒面塑性變形或者是出現齒面膠合現象。還有外加載荷的突然加大，可能導致齒輪輪齒的折斷。
　　五、結語
　　通過對齒輪材料、熱處理、加工方法、潤滑劑、安裝、溫度外加載荷等的影響分析，我們在以后的工作中，能夠及時地發現問題，并且能夠根據已經掌物的知識去解決問題，防患于未然，對減少損失起到很大的作用。
　　
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