齒輪傳動(dòng)失效分析及預(yù)防

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（濰坊工程職業(yè)學(xué)院 山東 青州 262500）

齒輪傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)中應(yīng)用最廣泛的一種傳動(dòng)形式，它具有傳動(dòng)平穩(wěn)、傳動(dòng)比準(zhǔn)確、承載能力強(qiáng)、工作效率高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。但齒輪在傳動(dòng)過程中也會(huì)出現(xiàn)傳動(dòng)失效的問題，且失效形式是多種多樣的。齒輪齒圈、輪輻、輪轂部分的結(jié)構(gòu)尺寸通常是經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的，其強(qiáng)度和剛度較為富裕，因此在傳動(dòng)中極少失效。齒輪傳動(dòng)的主要失效部位為輪齒，根據(jù)輪齒失效部位的不同分為齒體失效和齒面失效。

1 輪齒折斷

輪齒折斷的類型有兩種：疲勞折斷和過載折斷。疲勞折斷是由于輪齒受重復(fù)彎曲應(yīng)力作用，當(dāng)彎曲應(yīng)力超過材料疲憊極限時(shí)，在輪齒齒根受拉一側(cè)就會(huì)產(chǎn)生疲勞裂紋，在齒根應(yīng)力集中處，裂紋加速擴(kuò)展，直至輪齒折斷。過載折斷是由于輪齒受短時(shí)意外嚴(yán)重過載或沖擊時(shí)，齒輪材料較脆時(shí)，輪齒突然折斷。輪齒折斷常發(fā)生在閉式硬齒面及開式齒輪傳動(dòng)中輪齒受拉應(yīng)力一側(cè)的齒根部位。對(duì)于齒寬較小的直齒輪常發(fā)生全齒折斷，對(duì)于齒寬較大的直齒輪、斜齒輪常發(fā)生部分齒折斷。

防止輪齒折斷，提高抗斷齒能力的措施：①當(dāng)分度圓直徑為定值時(shí)，減小齒輪齒數(shù)并增大齒輪模數(shù)，以便增大齒根齒厚，進(jìn)而提高齒根彎曲疲勞強(qiáng)度；②采用正變位的方法加工齒輪，以提高齒根抗彎強(qiáng)度；③提高齒面硬度，進(jìn)而提高齒面接觸疲勞強(qiáng)度；④增大齒根處圓角半徑，以減小應(yīng)力集中；⑤提高加工精度，降低表面粗糙度，減少加工損傷，避免應(yīng)力集中；⑥提高輪齒精度和齒輪支撐剛度，進(jìn)而改善輪齒載荷分布；⑦對(duì)齒輪齒根進(jìn)行強(qiáng)化處理；⑧對(duì)齒輪齒芯進(jìn)行熱處理，提高其韌性。

2 齒面點(diǎn)蝕

齒面點(diǎn)蝕是由于齒面受到脈動(dòng)循環(huán)接觸應(yīng)力作用，當(dāng)接觸應(yīng)力超過材料的接觸疲勞極限時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生細(xì)微裂紋，這時(shí)潤(rùn)滑油進(jìn)入裂縫，形成高壓封閉油腔，潤(rùn)滑油的楔擠作用使裂紋擴(kuò)展，直至齒面材料點(diǎn)狀剝落。齒面點(diǎn)蝕常發(fā)生在閉式軟齒面齒輪靠近節(jié)線的齒根面上。之所以靠近節(jié)線是由于齒輪傳動(dòng)重合度小于2，節(jié)線處一般只有一對(duì)齒嚙合，接觸應(yīng)力較大；同時(shí)由于節(jié)線處做純滾動(dòng)，靠近節(jié)線附近滑動(dòng)速度小，油膜不易形成，摩擦力大，易產(chǎn)生裂紋。開式齒輪傳動(dòng)無(wú)齒面點(diǎn)蝕，原因是開式齒輪傳動(dòng)齒面磨損速度大于點(diǎn)蝕速度。

提高齒面抗點(diǎn)蝕能力的措施：①提高齒面硬度可增大作用接觸應(yīng)力，進(jìn)而提高齒面接觸疲勞強(qiáng)度；②采用正變位傳動(dòng)，減少接觸應(yīng)力，進(jìn)而提高齒面接觸疲勞強(qiáng)度；③提高潤(rùn)滑油粘度；④提高齒輪加工精度，降低表面粗糙度。

3 齒面磨損

齒面磨損有兩種類型：磨粒磨損、研磨磨損。磨粒磨損是開式齒輪傳動(dòng)的主要失效形式，它是由于齒輪長(zhǎng)期暴露在外面，砂粒、金屬碎屑、灰塵等硬顆粒進(jìn)入齒面而引起的齒面磨損。研磨磨損是由于齒面相互搓削引起的，它是一種不可避免的損耗現(xiàn)象。齒面磨損會(huì)使齒廓失真，瞬時(shí)傳動(dòng)比不固定，從而導(dǎo)致傳動(dòng)精度低，產(chǎn)生沖擊、振動(dòng)、噪音等。如果齒面磨損進(jìn)一步加劇，會(huì)使得輪齒變薄，齒根彎曲疲勞強(qiáng)度降低，容易發(fā)生輪齒折斷。

提高齒面抗磨損能力的措施：①對(duì)開式齒輪傳動(dòng)安裝防塵罩；②采用耐磨材料；③注意潤(rùn)滑油的清潔和定期更換，可在其中添加減摩劑；④提高齒輪加工精度，降低輪齒表面粗糙度；⑤減小滑動(dòng)系數(shù)。

4 齒面膠合

齒面膠合分為冷膠合和熱膠合。在高速重載的齒輪傳動(dòng)中，較高的速度使得嚙合區(qū)溫升較大，潤(rùn)滑油粘度降低，油膜遭到破壞，金屬表面直接接觸而熔焊，此時(shí)齒面間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使得較軟的齒面沿著滑動(dòng)方向撕脫，形成溝痕，這種現(xiàn)象即為熱膠合。而在低速重載的齒輪傳動(dòng)中，由于齒輪傳動(dòng)功率較大，速度較低，齒面間不易形成油膜，而出現(xiàn)冷粘著，這種現(xiàn)象即為冷膠合。齒面膠合會(huì)使傳動(dòng)不平穩(wěn)，甚至導(dǎo)致齒輪報(bào)廢。

提高齒面抗膠合能力的措施：①優(yōu)選抗膠合能力強(qiáng)的材料；②選用粘度大的或極壓潤(rùn)滑油；③增大齒面硬度可提高許用接觸應(yīng)力，進(jìn)而提高齒面接觸疲勞強(qiáng)度；④采用變位齒輪，降低齒高，減小滑動(dòng)系數(shù)。

5 齒面塑性變形

在軟齒面齒輪傳動(dòng)中，在重載荷作用下，齒面間的應(yīng)力超過了材料屈服極限，較硬一側(cè)的齒面沿摩擦力方向推擠較軟一側(cè)齒面而產(chǎn)生塑性流動(dòng)，這種現(xiàn)象即為齒面塑性變形。齒面塑性變形常發(fā)生在低速重載或過載的軟齒面齒輪傳動(dòng)中。

避免齒面塑性變形的措施：①提高齒面硬度；②選用粘度大的潤(rùn)滑油。