傳動齒輪的失效統計分析及防止失效措施

孫 琳

（西安大方實業總公司，陜西 西安 710054）

1 引言

齒輪傳動是現代機械設備中應用最廣泛的一種機械傳動，它可以傳遞空間任意兩軸間的運動和動力， 特別是漸開線圓柱齒輪，自1765年歐拉（L.Euler）研制出并廣泛應用，已有200 多年的歷史。 目前， 齒輪傳動技術的指標可達到： 傳動功率P=105KW， 圓周速度V=300m/S， 轉速n=105r/min， 齒輪直徑d=0.001～33m，單級傳動比可達8 以上，傳動效率達0.98～0.995。 由于齒輪傳動承載能力大，效率高，傳動比準確，結構緊湊，工作可靠，使用壽命長，因此應用十分廣泛。

2 齒輪失效

2.1 齒輪失效的產生

當機械零件喪失其應有的功能時，則稱為該零件失效。 在傳動裝置中，齒輪失效約占失效總數的60%左右。齒輪的失效主要是輪齒的失效，這是因為：齒輪傳動是依靠主動輪的輪齒齒廓推動從動輪的輪齒齒廓進行工作。 齒輪其他部分（如：輪緣、輪輻、輪轂）一般只按經驗公式進行結構設計，強度和剛度均較富余，所以不必考慮失效問題。

2.2 齒輪失效的統計分析

表1 我國某廠關于1 000 起齒輪失效類型和原因統計

表1 是我國某齒輪廠發生的1 000 起齒輪失效分析事例的統計分析，對所有失效事例按失效類型及失效原因做了統計。 從失效類型上來看，斷裂失效最多（61.2%），其次是表面接觸疲勞（20.3%），磨損（13.2%），塑性變形最少（5.3%）。從表中可見，彎曲疲勞斷裂和表面接觸疲勞共占53%， 說明齒輪的疲勞問題是齒輪失效最重要的問題。 另外，從失效原因來看，大多數失效與使用有關（74.7%）。 使用因素中最主要的是連續過載（25%）和安裝不當 （21.2%）， 熱處理不當次之 （16.2%）， 再次之是設計錯誤（6.9%），制造缺陷（1.4%）和材質缺陷（0.8%）。

2.3 齒輪失效形式的分類

齒輪失效分為齒輪磨損和齒輪損傷（包括輪齒折斷、齒面點蝕、齒面膠合、塑性變形）。 齒輪磨損是指在嚙合傳動過程中，輪齒接觸表面的材料出現摩擦損耗現象。 齒輪的損傷是指齒輪的材料在材質、尺寸、精度、表面狀態等基本要素的某一方面或若干方面，在工藝過程或（和）使用過程中所遭受的內外傷。 齒輪損傷量的積累達到某一界限， 即喪失了對其規定的某種功能。齒輪損傷的影響因素很多，包括選材、設計計算、毛坯制造、機械加工、熱處理、安裝調整、使用維護等。 齒輪承載能力的極限值主要取決于材質、表面狀態、圓周速度、潤滑條件、傳動方式、齒輪種類以及輪齒參數等。

3 防止齒輪失效的措施

3.1 合理的選材

輪齒材料需要具有強度高、韌性好、耐磨性好等優良綜合機械性能，同時要具有良好的加工性能和良好的熱處理性能。 常用齒輪材料有鍛鋼、鑄鋼、鑄鐵和非金屬材料。

3.2 確定設計準則

齒輪首先要滿足傳動能力，必須要進行承載能力的計算。 計算方式有：①齒根彎曲強度計算（斷齒）；②齒面接觸強度計算（點蝕）；③抗膠合強度計算（軟齒面、重載）；④抗磨損強度計算（開式齒輪傳動）。

根據齒輪的失效形式，確立相應的設計準則。 目前進行齒輪傳動設計計算時， 通常按齒面接觸疲勞強度計算和齒根彎曲疲勞強度計算。 對于高速、大功率的齒輪傳動，閉式軟齒面的齒輪傳動還應進行抗膠合計算和齒面抗磨損計算。 由于對于磨損、塑性變形等的設計計算至今尚未建立完善的計算方法， 只能進行彎曲疲勞強度計算， 并將模數加大10%～20%來考慮磨損的影響。

3.3 合理的設計、加工、熱處理工藝、潤滑、防護

（1）輪齒折斷。 對于材質較脆的灰鑄鐵或淬火鋼齒輪，在傳動中當輪齒受到短期過載或過大的沖擊載荷時， 在彎曲應力作用下輪齒突然折斷。 防止措施：增大齒根過渡圓角半徑，降低表面粗糙度，減輕加工損傷，采用表面強化處理等都可以提高輪齒的抗疲勞折斷能力。

（2）齒面磨粒磨損。 對于開式齒輪傳動，由于金屬微粒、灰塵、污物等進入齒輪工作表面，在齒輪運轉時，使齒面材料逐漸磨損，使齒廓失去正確形狀，由此產生沖擊、噪音。 嚴重磨損時，輪齒變薄，致使輪齒折斷。防止措施：提高齒面硬度，降低表面粗糙度，注意潤滑油的清潔和定期更換，降低滑動系數是減輕和防止磨粒磨損的主要措施，還應注意環境清潔，減少磨粒侵入。

（3）齒面疲勞點蝕。 對于閉式軟齒面齒輪傳動，由于接觸交變應力的反復作用，在節線附近靠近齒根部分的齒面上，會產生若干小裂紋。封閉在裂紋中的潤滑油在壓力的作用下，產生楔擠作用，使裂紋不斷擴展，最后導致表層金屬微粒脫落，形成點蝕。如若麻點繼續擴展，連成一片，將使齒廓表面破壞，產生振動和噪音，加速磨損而失效。防止措施：提高齒面硬度和潤滑油粘度，降低齒面粗糙度值，均可提高輪齒抗疲勞點蝕的能力。

（4）齒面膠合。 對于高速重載的齒輪傳動，因滑動速度高而產生的瞬時高溫會使油膜破裂，造成齒面間的粘焊現象。 粘焊處被撕脫后，輪齒表面沿滑動方向形成溝痕，即齒面膠合。 發生膠合后，齒廓被破壞，并引起強烈磨損和發熱。防止措施：減小模數和齒高，以降低齒面間的相對滑動速度，選用抗膠合性能好的齒輪材料，采用良好的潤滑劑，提高齒面硬度和降低表面粗糙度值等，均可減緩和防止齒面產生膠合。

4 結語

齒輪傳動是現代機械設備中應用最廣泛的一種機械傳動，而在齒輪傳動裝置中，齒輪失效占傳動裝置失效的60%以上。所以防止或減緩齒輪的失效對提高傳動效率、 經濟效益以及防止因此而造成經濟損失和事故都具有重要的意義。

[1]程志紅.機械設計[M].東南大學出版社，2006，3.

[2]丁洪生.機械設計基礎[M].機械工業出版社，2008，9.

[3]張展.齒輪傳動的失效及其對策[M].機械工業出版社，2011，8.