齒輪傳動(dòng)的失效分析及改善措施

陳苗青

（寧波大紅鷹學(xué)院 ,寧波 315175 ）

1 齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)

齒輪傳動(dòng)是由主動(dòng)輪推動(dòng)從動(dòng)輪輪齒的齒廓來(lái)完成的，其傳動(dòng)特點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：首先，由于齒輪的傳動(dòng)過(guò)程是依靠齒面推壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以輪齒中總是齒面受力；其次，輪齒中齒面上任何一點(diǎn)接觸應(yīng)力都是由小到大、從無(wú)到有、再?gòu)拇蟮叫∽詈髿w零不斷變化的，齒體主要受彎曲應(yīng)力；最后，在輪齒推動(dòng)時(shí)，只有節(jié)點(diǎn)處是純滾動(dòng)的，其它齒面各接觸點(diǎn)都是連滾帶滑，而齒頂部分的運(yùn)行速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于齒根部分。

圖1 輪齒折斷有兩種情況

2 常見(jiàn)的齒輪傳動(dòng)失效形式

2.1 輪齒折斷

通常情況下輪齒折斷有兩種情況，一是疲勞折斷：在齒輪傳動(dòng)過(guò)程中，輪齒受力就像一根懸臂梁，在受載時(shí)齒根會(huì)產(chǎn)生比較大的彎曲應(yīng)力，此時(shí)齒輪的工作環(huán)境就處于一種交變的彎曲應(yīng)力中，一旦經(jīng)過(guò)一段時(shí)間達(dá)到了齒輪材料的疲勞極限，那么齒根的圓角處就必然產(chǎn)生疲勞裂紋，當(dāng)應(yīng)力循環(huán)不斷增加，裂紋也隨之?dāng)U展，最終齒輪會(huì)因疲勞而折斷。另外一種則是過(guò)載折斷：當(dāng)齒輪在工作時(shí)受到了嚴(yán)重的沖擊載荷或過(guò)載作用，或者安裝精度差造成齒輪局部受載都會(huì)產(chǎn)生過(guò)載折斷。與疲勞折斷不同，過(guò)載折斷的斷口位置是不固定的，并且斷面相對(duì)粗糙。如圖1所示：

2.2 齒面點(diǎn)蝕

齒輪的工作齒面在長(zhǎng)期反復(fù)接觸應(yīng)力的過(guò)程中，其表面金屬會(huì)出現(xiàn)小塊脫落的現(xiàn)象，從而造成齒面失效，這種現(xiàn)象就是齒面點(diǎn)蝕。由于輪齒節(jié)線附近的應(yīng)力以及摩擦系數(shù)都相對(duì)較大，因此通常點(diǎn)蝕會(huì)先發(fā)生于靠近節(jié)線的齒根處。在滾滑過(guò)程中，互相滾滑的接觸表面在滑動(dòng)時(shí)會(huì)由于摩擦而引起初始裂紋，齒根處于滾滑運(yùn)動(dòng)中的被追越面，當(dāng)一對(duì)齒面互相滾動(dòng)，被追越面上的裂紋就會(huì)由于潤(rùn)滑油的影響被擠入裂縫，裂紋就會(huì)逐漸擴(kuò)展，由于將油液擠出，因此裂縫中也沒(méi)有高壓油。當(dāng)齒根的裂紋擴(kuò)展到一定限度就會(huì)形成小塊剝落，出現(xiàn)點(diǎn)蝕?？梢詤⒖迹豪鄯e故障數(shù)曲線來(lái)進(jìn)一步理解點(diǎn)蝕的機(jī)理。

2.3 齒面磨粒磨損

當(dāng)潤(rùn)滑不充分或者處于開(kāi)式傳動(dòng)時(shí)，會(huì)有外界灰塵雜質(zhì)進(jìn)入嚙合區(qū)，從而引起齒面材料的損失，這種現(xiàn)象就是齒面磨粒磨損。當(dāng)出現(xiàn)齒面磨粒磨損時(shí)，會(huì)在滑動(dòng)速度方向產(chǎn)生平行的線道滑痕。

2.4 齒面塑性變形

當(dāng)齒面處于低速重載環(huán)境下，由于受到滑動(dòng)摩擦力以及齒面間應(yīng)力的綜合作用，齒面材料會(huì)發(fā)生一定的塑性流動(dòng)，這種現(xiàn)象就是齒面塑性變形。它的變形方向與滑動(dòng)方向相平行，因?yàn)榛瑒?dòng)摩擦力以入主動(dòng)輪齒的滑動(dòng)方向與節(jié)線是相背而行的，所以主動(dòng)輪齒齒面的塑性變形會(huì)在齒頂形成飛邊，在節(jié)線附近處產(chǎn)生溝谷，而從動(dòng)輪則與其相反。

2.5 齒面膠合

當(dāng)齒輪處于低速重載大功率傳動(dòng)或者高速運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，由于齒面的溫度比較高或者嚙合齒面的比壓比較大，會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑油膜破裂，使得齒面直接接觸，從而產(chǎn)生半干摩擦或者干摩擦。隨著摩擦溫度的進(jìn)一步升高，齒面局部會(huì)出現(xiàn)固有熔焊粘附現(xiàn)象，沿著滑動(dòng)方向撕裂，此時(shí)兩齒面間的表層材料會(huì)有所轉(zhuǎn)移，這種現(xiàn)象就是齒面膠合。齒面膠合分冷膠合與熱膠合兩種。

3 齒輪失效的改進(jìn)措施

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)

首先可以根據(jù)相關(guān)的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，利用CAD等計(jì)算機(jī)軟件對(duì)齒輪的結(jié)構(gòu)方案以及齒輪的強(qiáng)度計(jì)算進(jìn)行多方面類(lèi)比，從中選出最佳的設(shè)計(jì)方案；其次，可以利用有限元法或者保角映射等計(jì)算方法計(jì)算出齒根處的彎曲應(yīng)力，過(guò)渡過(guò)圓角時(shí)采用比較大半徑的齒根，加工外齒輪齒形時(shí)可以采用凸頭留磨滾刀工藝等，從而分散齒根的彎曲應(yīng)力，提高強(qiáng)度；第三，在分析輪齒的嚙合形變時(shí)可以結(jié)合相應(yīng)的彈性力學(xué)知識(shí)，利用齒頂修緣；或者利用齒面噴丸處理工藝提高輪齒的彎曲疲勞強(qiáng)度等；第四，利用極壓添加劑高粘度齒輪潤(rùn)滑油改善齒輪的潤(rùn)滑。

3.2 優(yōu)化選材

根據(jù)齒輪的工藝性能要求、韌性及強(qiáng)度要求等，綜合考慮選擇何種齒輪材料?，F(xiàn)在常用的是低碳合金滲碳鋼，其含碳量相對(duì)較低，可以增加鋼的淬透性和耐磨性。盡量選擇冶金質(zhì)量比較好的電渣重熔合金鋼或者真空脫氣精煉鋼，因?yàn)檫@種材料純度較高，氧、氮或者其它非金屬雜質(zhì)的含量較少，致密度良好，韌性和塑性都比較好，可以減少機(jī)械性能以及各向異性。

3.3 優(yōu)化加工工藝

機(jī)械加工滾齒時(shí)，要把粗滾和精滾工序分開(kāi)加工，在用專(zhuān)用滾刀進(jìn)行精滾齒之前先用滾刀進(jìn)行粗切，切齒深度要用百分表控制，以保持其精度，切齒的深度誤差要在零位附近浮動(dòng)，精滾齒的齒形誤差不能超過(guò)0.03毫米。齒形的加工精度通常要達(dá)到九級(jí)以上，齒面的粗糙度也要與設(shè)計(jì)要求相符。可以在磨齒后再進(jìn)行振動(dòng)拋光或者電拋光，來(lái)提高表面的粗糙度。利用齒形修緣、齒面修形以及大圓弧齒根等技術(shù)，減輕或消除嚙合的偏載和干涉，降低齒根應(yīng)力集中，增大齒輪彈性柔度。對(duì)齒形進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹T如剃齒、研齒、磨齒等修飾，可以提高百分之十五到二十五的接觸極限應(yīng)力；對(duì)輪齒作縱向修形，比如修齒腹，可以提高齒輪兩倍的使用壽命，可以減少約五分之一左右的彎曲應(yīng)力，還可以降低噪聲污染。當(dāng)切齒刀具的硬度比工件的硬度高兩到五倍且有較好的耐磨性及韌性時(shí)，所呈現(xiàn)的切削效果最好。通常使用刮削法以及磨削法加工硬齒面的齒輪，齒胚需經(jīng)過(guò)多次切削加工和熱處理。

3.4 優(yōu)化熱處理工藝

通常機(jī)械齒輪的承載能力不只是由表面硬度來(lái)決定的，它同時(shí)還受著表層向芯部過(guò)渡區(qū)域的剪應(yīng)力和剪切強(qiáng)度比值大小的影響，該比值不能超過(guò)0.55。處理齒輪硬化最好的方法就是深層滲碳淬火，它可以得到充足的硬化層深度、較小的過(guò)渡區(qū)域殘余拉力以及比較高的芯部硬度。通常齒面的含碳量最好控制在0.8% 1%之間，從齒表面到芯部的硬度梯度要緩和。經(jīng)過(guò)回火和淬火的滲碳齒輪其表面硬度要達(dá)到HRC58 62之間，要消除齒輪尤其是表層的殘余內(nèi)應(yīng)力。進(jìn)一步推廣氮碳共滲等新的加工工藝，通常氮的滲入深度不超過(guò)0.2毫米，不僅可以產(chǎn)生壓應(yīng)力，還可以硬化表層。與單純滲碳齒輪相比，采用氮碳共滲工藝所加工的齒輪，其強(qiáng)度極限應(yīng)力可以提到百分之十三以上，使用壽命延長(zhǎng)一倍。在進(jìn)行熱處理加工后，還要做油浴人工時(shí)效處理。

3.5 優(yōu)化表面強(qiáng)化處理工藝

齒輪加工最后一道工序就是對(duì)齒根和齒面做噴丸強(qiáng)化處理，通常在磨齒后或者滲碳淬火后進(jìn)行。噴丸強(qiáng)化處理有諸多優(yōu)點(diǎn)，比如它可以提高三分之一甚至一半的齒輪接觸疲勞強(qiáng)度，改善齒根的變曲疲勞強(qiáng)度；可以阻止裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，減少實(shí)際載荷；抵抗破壞性沖擊效果好，減少點(diǎn)蝕；改善齒輪的潤(rùn)滑；消除各種切齒加工所留下的刀痕和磨削所產(chǎn)生的缺陷等。噴丸強(qiáng)化處理時(shí)間與齒輪多沖壽命的關(guān)系曲線圖如圖2所示，材料噴丸與未噴丸試樣如圖3所示：

3.6 優(yōu)化潤(rùn)滑工藝

齒輪的磨損失效在很大程度上受著潤(rùn)滑的影響，很多低速重載齒輪通常有較高的接觸應(yīng)力，所以對(duì)輪齒接觸表面材料局部彈性變形要足夠重視。此外，上文中也提到，齒輪在共軛嚙合時(shí)，除切點(diǎn)外其余均為滾滑運(yùn)動(dòng)，這一特性與EHL（彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑理論）完全相符，與傳統(tǒng)Martin潤(rùn)滑理論相比，EHL最大的不同是齒輪表層的局部彈性變形量通常比按照剛性邊界計(jì)算的油膜厚度大出數(shù)倍，所以對(duì)油膜的壓力分布和形狀都有著明顯的影響。在設(shè)計(jì)齒輪的潤(rùn)滑參數(shù)時(shí)可以參照這個(gè)規(guī)律，按照實(shí)際情況選擇適用的潤(rùn)滑油。

圖2 噴丸強(qiáng)化處理時(shí)間與齒輪多沖壽命的關(guān)系曲線

圖3 材料噴丸與未噴丸試樣曲線

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