關于機械傳動齒輪失效問題的探討

唐建

（沈陽華科技貿有限責任公司，遼寧 沈陽 110168）

一、機械傳動齒輪特性

第一，效率高。在機械傳動中，齒輪傳動效率最佳，大約可達 99%，因此齒輪傳動在機械應用中備受青睞。第二，節約空間。齒輪傳動鏈與齒輪傳動帶間需要的空間非常小，結構十分緊湊，有效節省了齒輪占據的空間位置。第三，傳動比穩定。傳動比相對穩定，其是確保機械齒輪穩定傳動的重要保證，同時也是齒輪傳動應用的基礎性要求。第四。使用壽命長。機械齒輪在設計制造時，對精確度要求比較高，做工也非常精密，以此有效保障了齒輪的使用壽命。

二、機械傳動齒輪失效形式

（一）輪齒折斷

通常齒輪折斷主要分為兩種情況，其一疲勞性折斷，齒輪傳動時，輪齒受力較大，在受載時，齒根生成強大彎曲應力，齒輪工作在交變彎曲應力作用下，在持續一定時間段之后，齒輪瀕臨疲勞極限狀態，齒根圓角區域發生裂縫，隨著應力不斷加大，裂縫也逐漸擴大，最終由于齒輪疲勞折斷。其二，過載折斷，在齒輪運轉時，受沖擊載荷、過載作用，安裝精確性不足等影響，齒輪局部受載過重，都會造成過載折斷現象。與疲勞折斷不同，其斷口的位置并非固定狀態，并且端面十分粗糙。

（二）齒面磨粒磨損

在潤滑不足或處于開式傳動時，外界的灰塵雜質就會進入嚙合區域內，使得材料被磨損，造成嚴重損失，即齒面磨粒磨損。在齒面磨粒磨損時，沿著滑動速度方向，會漸漸形成平行狀態下的線道滑痕。

（三）齒面塑性變形

齒面在低速、重載的運行狀態下，受化工摩擦力與齒面應力雙重影響，造成齒面材料發生塑性流動現象，也就是齒面塑性變形。變形的方向與滑動方向相一致，處于彼此平行狀態。因為滑動摩擦力通過主動輪齒滑動方向與節線背道而行，所以，主動輪齒齒面塑性變形主要通過齒頂構成飛邊，在節線周圍生成溝谷，從動輪與其處于相反狀態。

（四）齒面膠合

齒輪在低速重負荷功率比較大，或運轉速度比較快的情況下，由于輪齒表層溫度過高，或者輪齒接觸面壓力比較大，導致潤滑油膜發生嚴重破損，進而形成齒面直接接觸，這樣一來，便會發生干摩擦與半干摩擦。在摩擦時，溫度也會逐漸上升，輪齒部分區域表層便會出現熔焊，朝著運作方向不斷撕開，生成裂紋，此時齒輪表層便會不斷移動，即所謂的齒面膠合，包含冷膠合與熱膠合兩種不同類型。

三、機械傳動齒輪失效的控制措施

（一）優化選材

就齒輪工藝性能要求、韌性、強度要求等，進行全面充分考慮，選擇齒輪所需材料。當前，使用最頻繁的、最常見的是低碳合金滲碳鋼，其含碳量相對較低，可以強化鋼的淬透性、耐磨性。因此，可選擇冶金質量比較好的電渣重熔合金鋼或者是真空脫氣精煉鋼，這主要是由于此中類型材料的純度比較高，氧、氮或非金屬雜質含量偏少，致密度相對較高，韌性與塑性也非常強，能夠有效減少機械性能與各向異性。

（二）優化加工工藝

在機械齒輪加工時，需要分開粗齒輪與精齒輪，還必須利用滾刀粗切齒輪后，再精滾，深度應保持一個百分比，只有這樣，才可以達到最佳精準度，深度誤差也需要保持在0 左右，精滾后，誤差大約在0.03mm。精確度需保持于九級上，粗糙程度也應根據設計標準開展。可以在磨齒以后進行振動拋光或者電拋光，從而保證表面粗糙度。通過齒形修緣、齒面修形、圓弧齒等相關技術，減輕甚至是消除嚙合偏載與干涉，大大降低齒根應力集中，增加齒輪彈性柔韌度。針對齒形進行剃齒、研齒、磨齒等相關修飾，可提高大約 15-25%的接觸極限應力。同時針對輪齒進行縱向修形，即修齒腹，可有效延長齒輪使用壽命，減少大約1/5 彎曲應力，還能降低噪聲污染。在切齒刀具硬度高于工件硬度大約2-5 倍，耐磨性和韌性較好時，切削效果處于最佳狀態。一般通過刮削法、磨削法，加工硬齒面齒輪，而齒胚需要反復進行切削加工和熱處理。

（三）優化潤滑工藝

機械齒輪形成磨損性失效和潤滑之間相分離，多數低速重載性齒輪的觸動應力比較高，所以，機械齒輪接觸面使用材料彈性十分關鍵。機械齒輪契合加工時，除切點外，其他都屬于滾滑式運動，這一特性與彈性流體動力潤滑理論相符，其最大特性是機械齒輪表層局部彈性變形量，明顯比基于剛性邊界計算的油膜厚度要高。在機械齒輪潤滑參數設計過程中，可依據這一規律特性和實際需求，選擇最合適的潤滑油。

（四）優化熱處理工藝

通常來說，機械齒輪承載力不只受表層硬度影響，還會受表層不斷向芯部過渡的剪切強度性與剪應力比值影響，實際比值不能超過 0.55。機械齒輪硬化處理的主要方式是深層滲性碳淬火法，可獲得比較充分的硬化層深度，較高的芯部硬度，過渡區域比較小的殘余拉力等等。齒面含碳量一般需要嚴格控制在 0.8-1%之間，從齒面到芯部硬度的梯度需保持在緩和形態。在通過回火與淬火加工之后，滲碳齒輪表面硬度可以達到HRC58-62，如果想要全面消除機械齒輪表層的殘余應力，必須重視熱處理工藝的進一步優化，合理利用氮碳共滲法等新型加工工藝，氮的實際滲入深度一般應嚴格控制于0.2mm 以內，可形成既定壓應力，表面可發揮較好的硬化作用。在熱處理工藝工序完成之后，需要進行油浴人工化時效性有效加工與處理。

四、結語

綜上所述，在機械運行過程中，傳動齒輪發揮著重要性作用，其是機器傳輸能量的重要環節，齒輪可以保持正常運行的狀態，是確保機器正常運行的關鍵基礎。技術人員應按時對傳動齒輪進行失效診斷，并就具體狀況采取相應的診斷方式方法，并把齒輪失效檢測貫穿于整個工作過程中，基于齒輪材料、設計、加工、潤滑、使用全部階段，逐層嚴格把控，以有效保障齒輪的耐久性。