淺析齒輪傳動失效的形式及對策

摘 要：本文介紹了齒輪失效的五種基本形式及其原因，并針對失效原因提出解決辦法，就提高齒輪的壽命提出建議。

關鍵詞：齒輪；傳動失效；形式；對策

一、齒輪傳動失效的形式

齒輪在傳動過程中發生輪齒折斷、齒面點蝕、齒面損壞等現象，從而失去正常工作能力，這種現象稱為齒輪輪齒的失效。

1.面點蝕。齒輪在傳遞動力時，兩工作齒面實際上是線接觸。實際上，因齒面的彈性變形會形成很小的面接觸。由于接觸面積很小，所以會產生很大的接觸應力。傳動過程中，齒面間的接觸應力從零增加到最大值，又從最大值降到零。當接觸應力的循環次數超過某一限度時，工作吃面便會產生微小的疲勞裂紋。如果裂縫內滲入潤滑油，在另一齒輪擠壓下封閉在裂紋內的油壓會急劇升高，加速裂紋的擴展，最終導致表面層上的小塊金屬的剝落，形成小凹坑，這種現象為疲勞點蝕。點蝕使輪齒工作表面損壞，造成傳動不平穩，并產生噪聲，輪齒嚙合情況會逐漸惡化而導致齒輪報廢。齒面點蝕是在潤滑良好的封閉齒輪傳動中輪齒失效的主要形式之一。在開式齒輪傳動中，由于齒面磨損較快，點蝕還來不及出現或擴展即被磨掉，所以一般看不到點蝕現象。齒面抗點蝕的能力主要與齒面硬度有關，提高齒面硬度，減小齒面的表面粗糙度值和增加潤滑油的黏度都有利于防止點蝕。

2.面磨損。齒輪在傳動過程中，輪齒不僅受到載荷的作用，而且接觸的兩齒面間有相對滑動，使齒面發生磨損。齒面磨損的速度符合預計設計期限，則視為正常磨損。正常磨損的齒面很光亮，沒有明顯的痕跡，在規定的磨損量內并不影響齒輪的正常工作。但齒面磨損嚴重時，漸開線齒廓被損壞，使齒側間隙增大而引起傳動不平穩，產生沖擊和噪聲，甚至會因齒厚過度磨薄而發生輪齒折斷。產生齒面磨損的原因主要有：一方面齒輪在傳動過程中，工作齒面間有相對滑動；另一方面齒面不干凈，有金屬微粒、塵埃、污物等進入輪齒嚙合區域引起磨料性磨損。

3.面膠合。在重載傳動中，齒輪副兩齒輪工作齒面發生金屬表面直接接觸而產生“焊接”現象，稱為齒面膠合。齒面發生膠合現象后，將因遭到嚴重損壞而失效。為防止發生齒面膠合，對于低速傳動，可采用黏度大的潤滑油；對于高速傳動可采用硫化潤滑油，使其較牢固的吸附在齒面上而不易被擠掉。采用提高齒面的硬度，減小輪齒表面的粗糙度，一級兩齒輪選擇不同材料等措施，均可減少齒面膠合的發生。

4.齒折斷。齒輪輪齒在傳遞動力時相當于一根懸梁臂，在齒根處收到的彎曲應力最大，且在齒根的過渡圓角處具有較大的應力集中。傳遞載荷時，輪齒從嚙合開始到嚙合結束，隨著嚙合點位置的變化，齒根處的應力從零增加到某一最大值，然后又逐漸減小為零。輪齒在交變載荷的不斷作用下，在輪齒根部的應力處便會產生疲勞裂紋。隨著重復次數的增加，裂紋逐漸擴展，直至輪齒折斷，這種折斷為疲勞折斷。此外，脆性較大的材料制成的齒輪，材料在受到短時過載或過大的沖擊載荷時，常會引起輪齒的突然折斷，這種折斷稱為過載折斷。輪齒折斷是開式齒輪傳動和硬齒面閉式齒輪傳動中輪齒失效的主要形式之一。輪齒折斷常常是突然發生的，防止輪齒折斷的措施：一方面，可選擇適當的模數和齒寬，保證輪齒的強度；另一方面，減小齒根處的應力集中，齒根圓角不宜過小，輪齒表面粗糙度值要小，使齒根危險載面處的最大彎曲應力值不超過材料的許應力值。采用合適的材料和熱處理方法等，均可防止輪齒折斷。

5.面塑性變形。若齒面材料較軟，輪齒表面硬度不高，當工作在低速重載和頻繁啟動情況下時，在較大的重載荷和摩擦力的作用下，可能使齒面表層金屬沿相對滑動方向發生局部的塑性流動，從而產生齒面塑性變形。主動齒輪上所受的摩擦力背離節線指向齒輪和齒根，產生塑性變形時在齒面沿接線處形成凹溝；從動齒輪上所受摩擦力則分別由齒頂和齒根指向節線，產生塑性變形時再齒面上沿節線處形成凸棱。齒面塑性變形破壞了齒廓形狀，導致齒輪輪齒失效。提高齒面硬度和采用黏度較高的潤滑油，有利于防止或減輕齒面塑性變形。

二、齒輪的常用材料

根據齒輪傳動的失效形式可知，設計齒輪傳動時，應使齒面有較高的抗點蝕、抗膠合、抗磨損和抗塑性變形能力，而齒根要有較高的抗折斷及抗沖擊能力。因此，對齒輪材料性能的基本要求：齒面要硬，齒芯要韌，具有良好的加工性和熱處理性。齒輪材料對齒輪傳動的承載能力有很大影響，正確選擇齒輪材料很重要。

1.鋼材。鋼材的韌性較好，耐沖擊，可以通過熱處理改善其力學性能并提高齒面硬度，故最適合制造齒輪。（1）鍛鋼。一般用鍛鋼制造齒輪，常用的是含碳量為0.15%~0.6%的碳鋼或合金鋼。（2）鑄鋼。尺寸較大的齒輪常用鑄鋼制造，其毛坯應進行正火處理以消除殘余應力和硬度不均勻的現象。

2.灰鑄鐵。灰鑄鐵價格低廉，其鑄造性能、減摩性能、抗點蝕和抗膠合性能較好，但其抗彎強度、耐沖擊和耐磨性能較差。灰鑄鐵齒輪常用于輕載、低速、工作平穩的場合，灰鑄鐵中的石墨具有潤滑作用，尤其適用于制造潤滑條件較差的開式傳動齒輪。球墨鑄鐵具有較高的力學性能，一定場合下常用來代替鑄鋼。

3.塑料。工程塑料一般用于高速、輕載及精度不高的齒輪傳動，它可以明顯降低噪音。常用工程塑料有尼龍、夾布膠木等，用來制造小齒輪，而大齒輪仍用鋼或者鑄鐵制造。

總之，分析并了解齒輪傳動失效的形式，對設計齒輪傳動時選擇齒輪材料有很重要的意義。

參考文獻：

李靖宇.機械設計基礎[M]大連：大連理工大學出版社，2003.