齒輪失效的因素及影響分析

高 強(qiáng)

（重慶工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 408000）

在機(jī)械工程中，齒輪傳動(dòng)應(yīng)用甚為廣泛，齒輪傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)中一種重要的傳動(dòng)方式，并且往往處于極為重要的部位，因此齒輪的損傷和失效倍受人們的關(guān)注。

1 結(jié)構(gòu)特性及工作狀況

齒輪傳動(dòng)具有傳遞動(dòng)力大、效率高，使用壽命比較長(zhǎng)，工作平穩(wěn)，能保證恒定的傳動(dòng)比，能傳遞成任意夾角的兩軸見(jiàn)得運(yùn)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。齒輪傳動(dòng)適用范圍很廣、傳遞功率從很小到數(shù)萬(wàn)千瓦；齒輪直徑從小于1 m m到10 m；傳動(dòng)比的范圍也很大。所以，齒輪傳動(dòng)得到廣泛的應(yīng)用。按齒輪傳動(dòng)的工作條件可以分為閉式齒輪傳動(dòng)、開(kāi)式齒輪傳動(dòng)和半開(kāi)式齒輪傳動(dòng)。閉式傳動(dòng)封閉在箱殼內(nèi)保證良好潤(rùn)滑。開(kāi)式傳動(dòng)是外漏的，不能保證良好的潤(rùn)滑。

齒輪工作條件很復(fù)雜。在不同的工作條件下使用的齒輪造成的特征是不同的。根據(jù)齒輪的工作特點(diǎn)，在傳遞功率和運(yùn)動(dòng)過(guò)程中、齒輪在力的作用下、在齒根產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，齒面產(chǎn)生接觸應(yīng)力，齒面間相對(duì)滑動(dòng)摩擦而產(chǎn)生磨損。有時(shí)齒間存在間隙，在齒合過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生沖擊，齒輪的主要失效特征是由于彎曲力矩作用而造成齒的變形和折斷，由于接觸應(yīng)力作用而造成的表面疲勞剝落和由于摩擦作用而造成的磨損，由于齒輪工作時(shí)所受載荷和轉(zhuǎn)速不同，對(duì)于不同材料會(huì)造成不同的失效形式。

2 齒輪的失效形式

（1）齒面磨損。齒輪嚙合傳動(dòng)時(shí)，兩漸開(kāi)線齒廓之間存在相對(duì)滑動(dòng)，在載荷作用下，齒面間的灰塵，硬屑粒會(huì)引起齒面磨損。嚴(yán)重的磨損將使齒面漸開(kāi)線齒形失真，齒側(cè)間隙增大，從而產(chǎn)生沖擊和噪音，甚至發(fā)生齒輪折斷。在開(kāi)式傳動(dòng)中，特別在多灰塵場(chǎng)合，齒面磨損是輪齒失效的主要形式。

（2）輪齒折斷。最常見(jiàn)的是彎曲疲勞折斷、過(guò)載折斷。輪齒受力后,在齒根部產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力最大,且在齒根過(guò)渡圓角處有應(yīng)力集中。如果輪齒的交變應(yīng)力超過(guò)了材料的疲勞極限,在齒根圓角處將產(chǎn)生疲勞裂紋,隨著裂紋不斷擴(kuò)展。

（3）齒面點(diǎn)蝕。齒輪傳動(dòng)過(guò)程中，齒輪接觸面上各點(diǎn)的接觸應(yīng)力呈脈動(dòng)循環(huán)變化，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，會(huì)由于接觸面上金屬的疲勞而形成細(xì)小的疲勞裂紋，裂紋的擴(kuò)展造成金屬剝落，形成點(diǎn)蝕。

（4）齒面嚙合。輪齒的嚙合是由于齒面上不平的峰谷在接觸時(shí)產(chǎn)生局部高壓，使其熔焊在一起，而后隨著齒面上的金屬被大量撕脫，工作節(jié)線明顯暴露出來(lái)，正常齒廓被破壞，輪齒就失效了。

（5）齒面塑形變形。塑性變形失效，是指在重載荷作用下表面會(huì)屈服所造成的表面變形。它又可以進(jìn)一步分為壓塌和飛邊變形、波紋變形和溝條變形。

3 其他因素對(duì)失效的影響

（1）材料對(duì)齒輪的失效影響。齒輪的齒面應(yīng)具有較高的耐磨損、抗點(diǎn)蝕、抗嚙合及抗塑性變形的能力，而齒根要有較高的抗折斷的能力。因此，對(duì)輪齒材料性能的基本要求為：齒面要硬、齒芯要韌。①鍛鋼。鋼材的韌性好，耐沖擊，還可以通過(guò)熱處理或化學(xué)熱處理改善其力學(xué)性能及提高齒面硬度，故最適應(yīng)于用來(lái)制造齒輪。除尺寸過(guò)大（d a＞400～600 m m）或者是結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜只宜鑄造者外，一般都用鍛鋼制造齒輪，常用的是含碳量在0.15%～0.6%的碳鋼或合金鋼。②鑄鋼。鑄鋼的耐磨性及強(qiáng)度均較好，但應(yīng)經(jīng)退火及正火處理，必要時(shí)也可進(jìn)行調(diào)質(zhì)。鑄鋼常用于尺寸較大的齒輪。③鑄鐵。灰鑄鐵性質(zhì)較脆，抗沖擊及耐磨性都較差，但抗嚙合及抗點(diǎn)蝕的能力較好。灰鑄鐵齒輪常用于工作平穩(wěn)、速度較低、功率不大的場(chǎng)合。④非金屬材料。對(duì)高速輕載及精度不高的齒輪傳動(dòng)，為了降低噪聲，常用非金屬材料（如夾布膠木、尼龍等）做小齒輪，大齒輪仍用鋼或鑄鐵制造。為使大齒輪具有足夠的抗磨損及抗點(diǎn)蝕的能力，齒面的硬度應(yīng)為250～350 H B S。

（2）潤(rùn)滑油在不同環(huán)境下對(duì)齒輪失效的影響。①溫度。溫度下降時(shí)，潤(rùn)滑油會(huì)變稠。溫度上升時(shí)，則會(huì)變稀。因此在低溫條件下需要低粘度的潤(rùn)滑油，而在高溫條件下則需要厚重的油以防止金屬與金屬之間的干摩擦。②速度。滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的速度越快，齒輪間擠進(jìn)潤(rùn)滑劑的時(shí)間就越少。同時(shí)在高速運(yùn)作下潤(rùn)滑油更易結(jié)塊變厚。因此，低速用高粘度（稠油），高速用低粘度油（稀油）。③負(fù)荷（壓力）。高粘度油比稀油更能抵御重負(fù)并防止金屬與金屬之間的碰撞。因此，輕負(fù)荷需要低粘度的潤(rùn)滑油，高負(fù)荷需要高粘度的潤(rùn)滑油。④擊負(fù)荷。例如由引擎發(fā)出的律動(dòng)力，這就需要比較厚重的油以防油膜的瞬間碎裂而產(chǎn)生的邊界潤(rùn)滑，因?yàn)橹挥袠O少的潤(rùn)滑油可留下。在這種情況下，需要一種含有極壓添加劑（EP）的潤(rùn)滑油。

（3）設(shè)計(jì)方面的錯(cuò)誤對(duì)齒輪失效的影響。齒輪裝置的設(shè)計(jì)，技術(shù)上要求較高，并且要有一定的經(jīng)驗(yàn)。①載荷。對(duì)作用在輪齒上載荷估計(jì)不足輪齒上所受的載荷一般可分三部分，即名義載荷，可視為齒輪傳遞的名義功率。②剛性。外部動(dòng)載荷它取決于原動(dòng)機(jī)、從動(dòng)機(jī)的特性、軸和聯(lián)軸器系統(tǒng)的質(zhì)量、剛度能及運(yùn)行狀態(tài)。③內(nèi)部動(dòng)載荷。這是由于齒輪本身制造誤差、輪齒剛度等因素產(chǎn)生的載荷。通常精確確定輪齒上的載荷是非常困難的較好的辦法是進(jìn)行實(shí)測(cè)或?qū)鲃?dòng)系統(tǒng)進(jìn)行全面分析。但是，這種復(fù)雜的方法不是處處可以采用的，因此在齒輪設(shè)計(jì)中，對(duì)載荷估計(jì)不足是常見(jiàn)的。④結(jié)構(gòu)。齒輪裝置結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不合理例如軸承安裝方式或安裝位置不合適，軸或齒輪箱的剛度太差，密封不可靠等，都可能使輪齒失效。⑤材料。材料選用不合適齒輪材料種類(lèi)、牌號(hào)應(yīng)根據(jù)齒輪的具體使用條件來(lái)選定；特別是大小齒輪不同材料的匹配，更值得設(shè)計(jì)者注意，否則容易引起齒輪失效。⑥潤(rùn)滑系統(tǒng)。潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)有誤齒輪裝置的潤(rùn)滑方法、潤(rùn)滑油性能和油量等如果處理不好，可能使齒面產(chǎn)生嚙合、過(guò)熱和過(guò)度磨損等失效。

4 齒輪材料的合理選擇

（1）滿足材料的機(jī)械性能。材料的機(jī)械性能包括強(qiáng)度、硬度、塑性及韌性等，反映材料在使用過(guò)程中所表現(xiàn)出來(lái)的特性。齒輪在嚙合時(shí)齒面接觸處有接觸應(yīng)力，齒根部有最大彎曲應(yīng)力，可能產(chǎn)生齒面或齒體強(qiáng)度失效。齒面各點(diǎn)都有相對(duì)滑動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生磨損。齒輪主要的失效形式有齒面點(diǎn)蝕、齒面嚙合、齒面塑性變形和輪齒折斷等。因此要求齒輪材料有高的彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度，齒面要有足夠的硬度和耐磨性，芯部要有一定的強(qiáng)度和韌性。

（2）滿足材料的工藝性能。材料的工藝性能是指材料本身能夠適應(yīng)各種加工工藝要求的能力。齒輪的制造要經(jīng)過(guò)鍛造、切削加工和熱處理等幾種加工，因此選材時(shí)要對(duì)材料的工藝性能加以注意。一般來(lái)說(shuō)，碳鋼的鍛造、切削加工等工藝性能較好，其機(jī)械性能可以滿足一般工作條件的要求。但強(qiáng)度不夠高，淬透性較差。而合金鋼淬透性好、強(qiáng)度高，但鍛造、切削加工性能較差。我們可以通過(guò)改變工藝規(guī)程、熱處理方法等途經(jīng)來(lái)改善材料的工藝性能。

（3）材料的經(jīng)濟(jì)性要求。所謂經(jīng)濟(jì)性是指最小的耗費(fèi)取得最大的經(jīng)濟(jì)效益。在滿足使用性能的前提下，選用齒輪材料還應(yīng)注意盡量降低零件的總成本。

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