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(xiàn)代的先進(jìn)企業(yè)中，失效分析已成為一項(xiàng)重要的工作。

【關(guān)鍵詞】齒輪失效；潤滑狀態(tài)；熱處理方式；噴丸強(qiáng)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?yàn)樵谳嘄X受載時(shí)，齒根處產(chǎn)生的彎曲應(yīng)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(yīng)力集中作用，當(dāng)輪齒重復(fù)受載后，齒根處就會(huì)產(chǎn)生疲勞裂紋，并逐步擴(kuò)展，致使輪齒疲勞折斷。此外，在輪齒受到突然過載時(shí)，也可能出現(xiàn)過載折斷或剪斷；在輪齒受到嚴(yán)重磨損后齒厚過分減薄時(shí)，也會(huì)在正常載荷作用下發(fā)生折斷。

二、提高齒輪抗折斷能力的措施

（1）齒面點(diǎn)蝕。輪齒工作時(shí)，其工作表面產(chǎn)生的接觸壓應(yīng)力由零增加到一最大值，即齒面接觸應(yīng)力是按脈動(dòng)循環(huán)變化的。在過高的接觸應(yīng)力的多次重復(fù)作用下，齒面表層就會(huì)產(chǎn)生細(xì)微的疲勞裂紋，裂紋的蔓延擴(kuò)展使齒面的金屬微粒剝落下來而形成凹坑，即疲勞點(diǎn)蝕，繼續(xù)發(fā)展以致輪齒嚙合情況惡化而報(bào)廢。實(shí)踐表明，疲勞點(diǎn)蝕首先出現(xiàn)在齒根表面靠近節(jié)線處。齒面抗點(diǎn)蝕能力主要與齒面硬度有關(guān)，齒面硬度越高，抗點(diǎn)蝕能力也越強(qiáng)。（2）齒面膠合。在高速重載傳動(dòng)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(lián)。當(dāng)兩齒面相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，較軟的齒面沿滑動(dòng)方向被撕裂出現(xiàn)溝紋，這種現(xiàn)象稱為膠合。在低速重載傳動(dòng)中，由于齒面間不易形成潤滑油膜也可能產(chǎn)生膠合破壞。提高齒面硬度和光潔度能增強(qiáng)抗膠合能力。低速傳動(dòng)采用粘度較大的潤滑油；高速傳動(dòng)采用含抗膠合添加劑的潤滑油，對(duì)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(duì)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(jìn)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(chǎn)生的跑合性磨損。磨損后齒廓失去正確形狀，使運(yùn)轉(zhuǎn)中產(chǎn)生沖擊和噪聲。磨粒性磨損在開式傳動(dòng)中是難以避免的。齒面的磨損量與齒面的相對(duì)滑動(dòng)量成正比，由于齒面上不同位置處的相對(duì)滑動(dòng)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(fā)生變化，不再滿足恒定傳動(dòng)比傳動(dòng)的條件，造成傳動(dòng)比不穩(wěn)定，引起附加動(dòng)載荷。齒面磨損使齒厚減薄，使齒根的抗彎曲疲勞強(qiáng)度降低，并使齒輪最終表現(xiàn)為齒根減薄后的彎曲疲勞折斷。改善潤滑狀態(tài)，加強(qiáng)潤滑，最好是具有過慮的流動(dòng)潤滑；改開式傳動(dòng)為閉式傳動(dòng)，提高齒面光潔度是避免過早發(fā)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(chǎn)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(yán)重和起動(dòng)頻繁的傳動(dòng)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(xù)式等溫正火爐內(nèi)進(jìn)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(duì)齒輪承載能力的影響

齒輪的制造材料和熱處理過程對(duì)齒輪的承載能力和尺寸重量有很大的影響。20世紀(jì)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(xué)的發(fā)展，齒輪已經(jīng)慢慢由金屬齒輪轉(zhuǎn)變?yōu)樗芰淆X輪。因?yàn)樗芰淆X輪更具有潤滑性和耐磨性?？梢詼p小噪音，降低成本，降低摩擦。汽車齒輪的熱處理技術(shù)也從原50～60年代采用井式氣體滲碳護(hù)發(fā)展到當(dāng)前普遍采用由計(jì)算機(jī)控制的連續(xù)式氣體滲碳自動(dòng)線和箱式多用爐及自動(dòng)生產(chǎn)線（包括低壓（真空）滲碳技術(shù)）、齒輪滲碳預(yù)氧化處理技術(shù)。這些技術(shù)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(xiàn)代化熱處理的大批量生產(chǎn)需要。

四、新齒形的發(fā)展

除從材料熱處理及結(jié)構(gòu)等方面改進(jìn)外，圓弧齒形的齒輪獲得了發(fā)展。1907年，英國人Frank Humphris最早發(fā)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(fā)展，并力求尺寸小、重量輕、壽命長和經(jīng)濟(jì)可靠。發(fā)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(jìn)行輪齒修形，以改善齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性，并在滿載時(shí)增大輪齒的接觸面積，從而提高齒輪的承載能力。材料科學(xué)、工程力學(xué)、斷裂力學(xué)、斷口金相學(xué)、腐蝕科學(xué)等學(xué)科和無損探傷等檢測技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是電子顯微鏡的應(yīng)用，為失效分析奠定了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)，為提高齒輪承載能力，延長齒輪壽命奠定了基礎(chǔ)。

參 考 文 獻(xiàn)

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