浅析齿轮传动失效的形式及对策

摘 要：本文介绍了齿轮失效的五种基本形式及其原因，并针对失效原因提出解决办法，就提高齿轮的寿命提出建议。

关键词：齿轮；传动失效；形式；对策

一、齿轮传动失效的形式

齿轮在传动过程中发生轮齿折断、齿面点蚀、齿面损坏等现象，从而失去正常工作能力，这种现象称为齿轮轮齿的失效。

1.面点蚀。齿轮在传递动力时，两工作齿面实际上是线接触。实际上，因齿面的弹性变形会形成很小的面接触。由于接触面积很小，所以会产生很大的接触应力。传动过程中，齿面间的接触应力从零增加到最大值，又从最大值降到零。当接触应力的循环次数超过某一限度时，工作吃面便会产生微小的疲劳裂纹。如果裂缝内渗入油，在另一齿轮挤压下封闭在裂纹内的油压会急剧升高，加速裂纹的扩展，最终导致表面层上的小块金属的剥落，形成小凹坑，这种现象为疲劳点蚀。点蚀使轮齿工作表面损坏，造成传动不平稳，并产生噪声，轮齿啮合情况会逐渐恶化而导致齿轮报废。齿面点蚀是在良好的封闭齿轮传动中轮齿失效的主要形式之一。在开式齿轮传动中，由于齿面磨损较快，点蚀还来不及出现或扩展即被磨掉，所以一般看不到点蚀现象。齿面抗点蚀的能力主要与齿面硬度有关，提高齿面硬度，减小齿面的表面粗糙度值和增加油的黏度都有利于防止点蚀。

2.面磨损。齿轮在传动过程中，轮齿不仅受到载荷的作用，而且接触的两齿面间有相对滑动，使齿面发生磨损。齿面磨损的速度符合预计设计期限，则视为正常磨损。正常磨损的齿面很光亮，没有明显的痕迹，在规定的磨损量内并不影响齿轮的正常工作。但齿面磨损严重时，渐开线齿廓被损坏，使齿侧间隙增大而引起传动不平稳，产生冲击和噪声，甚至会因齿厚过度磨薄而发生轮齿折断。产生齿面磨损的原因主要有：一方面齿轮在传动过程中，工作齿面间有相对滑动；另一方面齿面不干净，有金属微粒、尘埃、污物等进入轮齿啮合区域引起磨料性磨损。

3.面胶合。在重载传动中，齿轮副两齿轮工作齿面发生金属表面直接接触而产生“焊接”现象，称为齿面胶合。齿面发生胶合现象后，将因遭到严重损坏而失效。为防止发生齿面胶合，对于低速传动，可采用黏度大的油；对于高速传动可采用硫化油，使其较牢固的吸附在齿面上而不易被挤掉。采用提高齿面的硬度，减小轮齿表面的粗糙度，一级两齿轮选择不同材料等措施，均可减少齿面胶合的发生。

4.齿折断。齿轮轮齿在传递动力时相当于一根悬梁臂，在齿根处收到的弯曲应力最大，且在齿根的过渡圆角处具有较大的应力集中。传递载荷时，轮齿从啮合开始到啮合结束，随着啮合点位置的变化，齿根处的应力从零增加到某一最大值，然后又逐渐减小为零。轮齿在交变载荷的不断作用下，在轮齿根部的应力处便会产生疲劳裂纹。随着重复次数的增加，裂纹逐渐扩展，直至轮齿折断，这种折断为疲劳折断。此外，脆性较大的材料制成的齿轮，材料在受到短时过载或过大的冲击载荷时，常会引起轮齿的突然折断，这种折断称为过载折断。轮齿折断是开式齿轮传动和硬齿面闭式齿轮传动中轮齿失效的主要形式之一。轮齿折断常常是突然发生的，防止轮齿折断的措施：一方面，可选择适当的模数和齿宽，保证轮齿的强度；另一方面，减小齿根处的应力集中，齿根圆角不宜过小，轮齿表面粗糙度值要小，使齿根危险载面处的最大弯曲应力值不超过材料的许应力值。采用合适的材料和热处理方法等，均可防止轮齿折断。

5.面塑性变形。若齿面材料较软，轮齿表面硬度不高，当工作在低速重载和频繁启动情况下时，在较大的重载荷和摩擦力的作用下，可能使齿面表层金属沿相对滑动方向发生局部的塑性流动，从而产生齿面塑性变形。主动齿轮上所受的摩擦力背离节线指向齿轮和齿根，产生塑性变形时在齿面沿接线处形成凹沟；从动齿轮上所受摩擦力则分别由齿顶和齿根指向节线，产生塑性变形时再齿面上沿节线处形成凸棱。齿面塑性变形破坏了齿廓形状，导致齿轮轮齿失效。提高齿面硬度和采用黏度较高的油，有利于防止或减轻齿面塑性变形。

二、齿轮的常用材料

根据齿轮传动的失效形式可知，设计齿轮传动时，应使齿面有较高的抗点蚀、抗胶合、抗磨损和抗塑性变形能力，而齿根要有较高的抗折断及抗冲击能力。因此，对齿轮材料性能的基本要求：齿面要硬，齿芯要韧，具有良好的加工性和热处理性。齿轮材料对齿轮传动的承载能力有很大影响，正确选择齿轮材料很重要。

1.钢材。钢材的韧性较好，耐冲击，可以通过热处理改善其力学性能并提高齿面硬度，故最适合制造齿轮。（1）锻钢。一般用锻钢制造齿轮，常用的是含碳量为0.15%~0.6%的碳钢或合金钢。（2）铸钢。尺寸较大的齿轮常用铸钢制造，其毛坯应进行正火处理以消除残余应力和硬度不均匀的现象。

2.灰铸铁。灰铸铁价格低廉，其铸造性能、减摩性能、抗点蚀和抗胶合性能较好，但其抗弯强度、耐冲击和耐磨性能较差。灰铸铁齿轮常用于轻载、低速、工作平稳的场合，灰铸铁中的石墨具有作用，尤其适用于制造条件较差的开式传动齿轮。球墨铸铁具有较高的力学性能，一定场合下常用来代替铸钢。

3.塑料。工程塑料一般用于高速、轻载及精度不高的齿轮传动，它可以明显降低噪音。常用工程塑料有尼龙、夹布胶木等，用来制造小齿轮，而大齿轮仍用钢或者铸铁制造。

总之，分析并了解齿轮传动失效的形式，对设计齿轮传动时选择齿轮材料有很重要的意义。

参考文献：

李靖宇.机械设计基础[M]大连：大连理工大学出版社，2003.