齒輪失效形式及措施的淺析

【摘要】提高齒輪承載能力，延長齒輪壽命；許多現代的先進企業中，失效分析已成為一項重要的工作。

【關鍵詞】齒輪失效；潤滑狀態；熱處理方式；噴丸強化；塑料齒輪

一、輪齒折斷

輪齒折斷有多種形式，在正常情況下，主要是輪齒根部彎曲疲勞折斷，因為在輪齒受載時，齒根處產生的彎曲應力最大，再加上齒根過渡部分的截面突變及加工刀痕等引起的應力集中作用，當輪齒重復受載后，齒根處就會產生疲勞裂紋，并逐步擴展，致使輪齒疲勞折斷。此外，在輪齒受到突然過載時，也可能出現過載折斷或剪斷；在輪齒受到嚴重磨損后齒厚過分減薄時，也會在正常載荷作用下發生折斷。

二、提高齒輪抗折斷能力的措施

（1）齒面點蝕。輪齒工作時，其工作表面產生的接觸壓應力由零增加到一最大值，即齒面接觸應力是按脈動循環變化的。在過高的接觸應力的多次重復作用下，齒面表層就會產生細微的疲勞裂紋，裂紋的蔓延擴展使齒面的金屬微粒剝落下來而形成凹坑，即疲勞點蝕，繼續發展以致輪齒嚙合情況惡化而報廢。實踐表明，疲勞點蝕首先出現在齒根表面靠近節線處。齒面抗點蝕能力主要與齒面硬度有關，齒面硬度越高，抗點蝕能力也越強。（2）齒面膠合。在高速重載傳動中，常因嚙合溫度升高而引起潤滑失效，致使兩齒面金屬直接接觸并相互粘聯。當兩齒面相對運動時，較軟的齒面沿滑動方向被撕裂出現溝紋，這種現象稱為膠合。在低速重載傳動中，由于齒面間不易形成潤滑油膜也可能產生膠合破壞。提高齒面硬度和光潔度能增強抗膠合能力。低速傳動采用粘度較大的潤滑油；高速傳動采用含抗膠合添加劑的潤滑油，對于抗膠合也很有效。（3）齒面磨損。齒面磨損是不可避免的，特別是對于潤滑不好的開式齒輪，磨損成為主要的失效形式。齒面磨損主要是由于灰砂、硬屑粒等進入齒面間而引起的磨粒性磨損；其次是因齒面互相摩擦而產生的跑合性磨損。磨損后齒廓失去正確形狀，使運轉中產生沖擊和噪聲。磨粒性磨損在開式傳動中是難以避免的。齒面的磨損量與齒面的相對滑動量成正比，由于齒面上不同位置處的相對滑動量不同，所以磨損量也不同，由于齒面的不均勻磨損，使得磨損后的齒形發生變化，不再滿足恒定傳動比傳動的條件，造成傳動比不穩定，引起附加動載荷。齒面磨損使齒厚減薄，使齒根的抗彎曲疲勞強度降低，并使齒輪最終表現為齒根減薄后的彎曲疲勞折斷。改善潤滑狀態，加強潤滑，最好是具有過慮的流動潤滑；改開式傳動為閉式傳動，提高齒面光潔度是避免過早發生齒面磨損失效的最有效措施。（4）齒面塑性變形。在重載下，較軟的齒面上可能產生局部的塑性變形，使齒廓失去正確的齒形。這種損壞常在過載嚴重和起動頻繁的傳動中遇到。材料的選擇及表面處理提高硬度，20CrMnTiH、20MnVBH和20MnTiBH鋼齒輪鍛坯在連續式等溫正火爐內進行處理可以保證得到均勻分布的片狀珠光體+鐵素體。這樣可以使齒輪的熱處理畸變大大減小，使齒輪的精度提高，使用壽命延長。

三、制造材料和熱處理過程對齒輪承載能力的影響

齒輪的制造材料和熱處理過程對齒輪的承載能力和尺寸重量有很大的影響。20世紀50年代前，齒輪多用碳鋼，60年代改用合金鋼，而70年代多用表面硬化鋼，隨著科學的發展，齒輪已經慢慢由金屬齒輪轉變為塑料齒輪。因為塑料齒輪更具有潤滑性和耐磨性。可以減小噪音，降低成本，降低摩擦。汽車齒輪的熱處理技術也從原50～60年代采用井式氣體滲碳護發展到當前普遍采用由計算機控制的連續式氣體滲碳自動線和箱式多用爐及自動生產線（包括低壓（真空）滲碳技術）、齒輪滲碳預氧化處理技術。這些技術的采用不僅使齒輪滲碳淬火畸變得到了有效控制、齒輪加工精度得到提高、使用壽命得到延長，而且還滿足了齒輪的現代化熱處理的大批量生產需要。

四、新齒形的發展

除從材料熱處理及結構等方面改進外，圓弧齒形的齒輪獲得了發展。1907年，英國人Frank Humphris最早發表了圓弧齒形。未來齒輪正向重載、高速、高精度和高效率等方向發展，并力求尺寸小、重量輕、壽命長和經濟可靠。發展以圓弧齒廓為代表的新齒形；研究新型的齒輪材料和制造齒輪的新工藝；研究齒輪的彈性變形、制造和安裝誤差以及溫度場的分布，進行輪齒修形，以改善齒輪運轉的平穩性，并在滿載時增大輪齒的接觸面積，從而提高齒輪的承載能力。材料科學、工程力學、斷裂力學、斷口金相學、腐蝕科學等學科和無損探傷等檢測技術的飛速發展，尤其是電子顯微鏡的應用，為失效分析奠定了堅實的科學基礎，為提高齒輪承載能力，延長齒輪壽命奠定了基礎。

參 考 文 獻

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[2]韓振南．齒輪傳動系統的故障診斷方法的研究[D]．太原理工大學．2003

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[4]許尚賢．機械零部件現代設計方法[M]．北京：高等教育出版社，1996