機動車駕駛中齒輪失效的原因及對策

張德強 陳峰

摘要：機動車齒輪失效是機械故障中最為常見的形式。本文主要介紹機動車齒輪常見的幾種失效形式及形成原因，并對如何避免和減少這類故障進行了簡要探討。

關鍵詞：機動車；齒輪失效；原因；措施；使用壽命；經濟負擔

隨著我國工業化的發展和人們生活水平的提高，機動車作為貨物運輸和人們工作生活的代步工具，在經濟發展和生活應用中的地位顯得越來越重要。根據國內最近有關的報道，我國各類汽車的數量已接近一億。轎車正在快速進入家庭，客貨運輸車輛也在以較快的速度迅猛發展。人們在感受機動車給我們的工作、生活帶來許多便利的同時，一個不容忽視的問題也給我們帶來了煩惱和經濟負擔。據日本新日鐵會社的統計，因機動車齒輪箱故障造成的機械損壞占機器總故障次數的10.3%左右，1956-1986年，在美國導致人員傷亡或飛機損壞的直升機重大事故中，齒輪箱作為最主要的故障源占22%。可見機動車駕駛中對齒輪箱的維護和保養已成為一個不可忽視的問題。

齒輪作為齒輪箱中最主要的零部件，承擔著傳遞運動和功率的重要作用，但是由于各種原因造成的齒輪失效在齒輪箱的故障中最為常見。為了減少此類故障給駕駛者帶來的不必要的麻煩和經濟負擔，在使用中應正確操作，妥善維護和保養，否則會減少齒輪使用壽命，甚至會突然發生因齒輪失效而帶來的故障，影響工作和使用。對于齒輪傳動，一般地說，齒輪失效主要是輪齒的失效，而輪齒的失效又多種多樣，但常見的主要有幾種。下面就機動車駕駛中，因操作和維護不當等原因造成的這幾種齒輪失效帶來的故障進行探討，并提出相應的改進措施，以便于讀者參考。

一、避免沖擊過載，防止齒輪折斷

在正常情況下，齒輪處于工作狀態時，輪齒就像一根一端固定，另一端自由的懸臂梁，當齒輪嚙合時，輪齒會產生彎曲應力，根部最大，且為交變應力。單側受載時，應力按脈動變化，雙側受載時，應力為對稱循環變化，再加上齒根過渡部分的截面突變，以及加工刀痕等引起的應力集中作用，當工作應力值超過材料的彎曲疲勞極限時，齒根處將產生疲勞裂紋，逐步擴展，導致輪齒疲勞折斷，這是齒輪輪齒折斷的主要因素。此外，在輪齒受到突然過載時，也可能出現過載折斷或剪斷，在輪齒嚴重磨損后，齒厚變得過薄，也會因強度不夠而折斷。因此，為了防止輪齒折斷，應首先避免和減少輪齒過載，其次是保持輪齒良好的潤滑，減小齒面間磨損。這就要求操作者在正常的情況下，不隨意施加載荷，如機動車駕駛中起步時突然加速（高檔起步）或嚴重超載貨物，使輪齒超負荷工作，且時間過長，造成輪齒所受沖擊力過大，彎曲應力超過極限，導致輪齒折斷。

二、建立良好潤滑，減小齒面磨損

無論開式或閉式齒輪傳動，由于嚙合齒輪的齒面間存在有相對滑動，產生摩擦是不可避免的，因此由齒面磨損造成的齒輪失效引起的故障也是一種最常見形式。具體的說，就是在齒輪嚙合過程中，若有金屬微粒，砂粒，灰塵落入齒面間，磨損會加劇，使齒形破壞，側隙加大，引起沖擊振動，嚴重時，齒厚減薄，最終因輪齒彎曲強度不夠而導致斷裂。當然，新齒輪處于跑合期時，發生的跑合性磨損可以降低齒面的表面粗糙度，對于傳動是有利的，但是過了跑合期后，就要設法減小磨損了。這就要求操作者應盡可能的改進齒輪的工作條件，以建立齒輪良好的潤滑，減小磨損，提高齒輪的使用壽命。其措施是：當條件允許的情況下，盡可能采用閉式傳動;按要求使用規定的潤滑油，并及時更新，防止潤滑油變質失效；禁止齒輪在無潤滑油的條件下工作，做到定期維護和保養。

三、適當提高潤滑油粘度，減緩齒面點蝕

閉式齒輪傳動中，即使在潤滑條件良好的情況下，也常常會出現因齒面點蝕而造成齒輪失效的故障。究其原因是，輪齒在嚙合過程中，齒面間的相對滑動起著形成潤滑油膜的作用，而且相對滑動速度愈高，愈易在齒面間形成油膜，潤滑也愈好。但是，當輪齒在靠近節線處嚙合時，同時嚙合輪齒對數較少，且輪齒間相對滑動速度低，形成油膜的條件差，潤滑不良，摩擦力較大，加上嚙合處接觸應力過大，脫離嚙合時，接觸應力瞬間消失，輪廓工作面某一固定點（節線附近）的接觸應力呈脈動變化；當工作狀態下的接觸應力超過材料的接觸疲勞極限時，齒面產生裂紋，并逐步擴展，導致輪齒工作表面金屬微粒脫落，形成小麻點，造成齒面點蝕。為了提高輪齒抗點蝕的能力，機械設計中，一般是利用增加齒輪材料的硬度，以保證齒面有足夠的接觸強度和降低輪齒表面粗糙度的方法來減緩點蝕的。但在機動車駕駛中，為了減少齒輪傳動中產生的齒面點蝕現象，我們也可以采用適當增加潤滑油的粘度的方法來獲得。因為潤滑油不僅可以減小摩擦，減緩點蝕，而且實驗證明，在速度不太高（圓周速度不大于12米/秒）的齒輪傳動中，在合理的限度內，潤滑油的粘度越高，上述效果越好。

四、限制油溫和選用合成潤滑油，防止齒面膠合

高速重載的齒輪傳動中，由于齒面間的壓力大，瞬時溫度高，會使齒面上的油膜破裂。如果潤滑效果差，瞬時溫度過高，相嚙合的兩齒面局部金屬會發生類似焊接一樣相互粘連在一起的現象，當齒輪繼續轉動時，兩齒面又作相對滑動，相粘結的部分即被撕裂下來，在齒面沿滑動方向上出現條狀傷痕，稱為齒面膠合。當然，在低速重載的齒輪傳動中，由于傳動輪齒間的油膜遭到破壞，或傳動表面不易產生油膜，也會發生齒面膠合。嚴重時齒廓遭到破壞，形成失效，影響工作。為了防止齒面膠合的發生，齒輪設計中通常采用提高齒面硬度，降低齒面粗糙度等方法來避免。機動車使用中，特別是載重噸位較大的重型車輛，建議不要超載，避免發動機齒輪箱齒輪長期超負荷運行，齒面間壓力過大，潤滑油溫度過高，以致形成齒面膠合。另外，還可以間歇發動機工作以限制油溫，或增加潤滑油粘度，選用加有抗膠合劑的合成潤滑油等方法，防止或減輕齒面膠合，達到延長齒輪使用壽命的目的。

五、減少頻繁過載，防止齒面塑性變形

在齒輪傳動中，齒面塑性變形屬于永久變形的失效形式，它是由于在過大應力作用下，輪齒材料處于屈服狀態而產生的齒面或齒體塑性流動所形成的。該現象一般發生在硬度較低的輪齒齒面上，但在過重載荷下，硬度較高的齒面上也會發生。齒面塑性變形分為滾壓塑變和錘擊塑變，且形成原因并不相同。滾壓塑變是由于嚙合時輪齒間相互滾壓與滑動引起材料塑性流動而形成的，當輪齒材料較軟載荷較大時，輪齒表面將沿著摩擦力方向發生塑性變形，從而導致主動輪齒面節線處出現凹溝，從動輪齒面節線處出現凸棱的現象，稱為滾壓塑變。錘擊塑變則是伴有過大的沖擊力而形成的塑性變形，它所形成的破壞是齒面上出現線的溝槽，且溝槽的取向與嚙合輪齒的接觸線方向一致。輪齒塑性變形過大會產生振動、噪音，甚至會發生斷裂失效。因此，防止齒面塑性變形的措施是在設計中提高輪齒齒面硬度。在機動車駕駛中，應提高潤滑油的粘度或采用加有極壓添加劑的潤滑油來減緩，對于低速重載的機動車，應避免超載貨物以防止應力過大，變形過大，對于高速重載的機動車，應盡量減少頻繁的突然增減速度，以避免載荷過大，慣性過大，沖擊力過大，使輪齒過載頻繁，以致形成永久塑性變形，造成齒輪失效。

總之，只要我們在機動車駕駛中，做到正確操作和使用，妥善維護和保養，就能夠將因齒輪失效而引起的故障減少到最低程度，從而達到延長機動車使用壽命，減輕經濟負擔的目的。■

參考文獻

（1）濮良貴 紀名剛 《機械設計》高等教育出版社

（2）侯長來《機械設計基礎》 冶金工業出版社

（3）楊國安 《齒輪故障診斷實用技術》中國石化出版社

（4）吳文琳 《汽車駕駛從入門到精通》機械工業出版社