齿轮失效形式及措施的浅析

【摘要】提高齿轮承载能力，延长齿轮寿命；许多现代的先进企业中，失效分析已成为一项重要的工作。

【关键词】齿轮失效；状态；热处理方式；喷丸强化；塑料齿轮

一、轮齿折断

轮齿折断有多种形式，在正常情况下，主要是轮齿根部弯曲疲劳折断，因为在轮齿受载时，齿根处产生的弯曲应力最大，再加上齿根过渡部分的截面突变及加工刀痕等引起的应力集中作用，当轮齿重复受载后，齿根处就会产生疲劳裂纹，并逐步扩展，致使轮齿疲劳折断。此外，在轮齿受到突然过载时，也可能出现过载折断或剪断；在轮齿受到严重磨损后齿厚过分减薄时，也会在正常载荷作用下发生折断。

二、提高齿轮抗折断能力的措施

（1）齿面点蚀。轮齿工作时，其工作表面产生的接触压应力由零增加到一最大值，即齿面接触应力是按脉动循环变化的。在过高的接触应力的多次重复作用下，齿面表层就会产生细微的疲劳裂纹，裂纹的蔓延扩展使齿面的金属微粒剥落下来而形成凹坑，即疲劳点蚀，继续发展以致轮齿啮合情况恶化而报废。实践表明，疲劳点蚀首先出现在齿根表面靠近节线处。齿面抗点蚀能力主要与齿面硬度有关，齿面硬度越高，抗点蚀能力也越强。（2）齿面胶合。在高速重载传动中，常因啮合温度升高而引起失效，致使两齿面金属直接接触并相互粘联。当两齿面相对运动时，较软的齿面沿滑动方向被撕裂出现沟纹，这种现象称为胶合。在低速重载传动中，由于齿面间不易形成油膜也可能产生胶合破坏。提高齿面硬度和光洁度能增强抗胶合能力。低速传动采用粘度较大的油；高速传动采用含抗胶合添加剂的油，对于抗胶合也很有效。（3）齿面磨损。齿面磨损是不可避免的，特别是对于不好的开式齿轮，磨损成为主要的失效形式。齿面磨损主要是由于灰砂、硬屑粒等进入齿面间而引起的磨粒性磨损；其次是因齿面互相摩擦而产生的跑合性磨损。磨损后齿廓失去正确形状，使运转中产生冲击和噪声。磨粒性磨损在开式传动中是难以避免的。齿面的磨损量与齿面的相对滑动量成正比，由于齿面上不同位置处的相对滑动量不同，所以磨损量也不同，由于齿面的不均匀磨损，使得磨损后的齿形发生变化，不再满足恒定传动比传动的条件，造成传动比不稳定，引起附加动载荷。齿面磨损使齿厚减薄，使齿根的抗弯曲疲劳强度降低，并使齿轮最终表现为齿根减薄后的弯曲疲劳折断。改善状态，加强，最好是具有过虑的流动；改开式传动为闭式传动，提高齿面光洁度是避免过早发生齿面磨损失效的最有效措施。（4）齿面塑性变形。在重载下，较软的齿面上可能产生局部的塑性变形，使齿廓失去正确的齿形。这种损坏常在过载严重和起动频繁的传动中遇到。材料的选择及表面处理提高硬度，20CrMnTiH、20MnVBH和20MnTiBH钢齿轮锻坯在连续式等温正火炉内进行处理可以保证得到均匀分布的片状珠光体+铁素体。这样可以使齿轮的热处理畸变大大减小，使齿轮的精度提高，使用寿命延长。

三、制造材料和热处理过程对齿轮承载能力的影响

齿轮的制造材料和热处理过程对齿轮的承载能力和尺寸重量有很大的影响。20世纪50年代前，齿轮多用碳钢，60年代改用合金钢，而70年代多用表面硬化钢，随着科学的发展，齿轮已经慢慢由金属齿轮转变为塑料齿轮。因为塑料齿轮更具有性和耐磨性。可以减小噪音，降低成本，降低摩擦。汽车齿轮的热处理技术也从原50～60年代采用井式气体渗碳护发展到当前普遍采用由计算机控制的连续式气体渗碳自动线和箱式多用炉及自动生产线（包括低压（真空）渗碳技术）、齿轮渗碳预氧化处理技术。这些技术的采用不仅使齿轮渗碳淬火畸变得到了有效控制、齿轮加工精度得到提高、使用寿命得到延长，而且还满足了齿轮的现代化热处理的大批量生产需要。

四、新齿形的发展

除从材料热处理及结构等方面改进外，圆弧齿形的齿轮获得了发展。1907年，英国人Frank Humphris最早发表了圆弧齿形。未来齿轮正向重载、高速、高精度和高效率等方向发展，并力求尺寸小、重量轻、寿命长和经济可靠。发展以圆弧齿廓为代表的新齿形；研究新型的齿轮材料和制造齿轮的新工艺；研究齿轮的弹性变形、制造和安装误差以及温度场的分布，进行轮齿修形，以改善齿轮运转的平稳性，并在满载时增大轮齿的接触面积，从而提高齿轮的承载能力。材料科学、工程力学、断裂力学、断口金相学、腐蚀科学等学科和无损探伤等检测技术的飞速发展，尤其是电子显微镜的应用，为失效分析奠定了坚实的科学基础，为提高齿轮承载能力，延长齿轮寿命奠定了基础。

参 考 文 献

[1]邹洁．齿轮强国的五年目标如何实现[N]．中国工业报．2004

[2]韩振南．齿轮传动系统的故障诊断方法的研究[D]．太原理工大学．2003

[3]石娟．齿轮激光表面处理的若干关键技术研究[D]．同济大学．2006

[4]许尚贤．机械零部件现代设计方法[M]．北京：高等教育出版社，1996