齒輪傳動(dòng)的失效分析及改善措施

張寶芳+++高立輝

摘 要：在機(jī)械功能效應(yīng)中機(jī)械齒輪停止工作對(duì)整個(gè)運(yùn)行過(guò)程帶來(lái)的影響非常大。文章從機(jī)械齒輪的傳動(dòng)特性作為起點(diǎn)，提出了在運(yùn)行的過(guò)程中最多見的幾種實(shí)效的狀態(tài)，并進(jìn)行改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：齒輪傳動(dòng)；失效；研究

1 齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)

齒輪的機(jī)能傳動(dòng)是通過(guò)主動(dòng)輪在助力從動(dòng)齒輪的齒槽來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在傳動(dòng)的過(guò)程中有以下幾個(gè)特點(diǎn)：第一，因?yàn)辇X輪在傳遞轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候是依附齒輪不斷推壓形成的，因此輪齒的受力方式是齒輪受力；第二，輪齒的受力面任何一個(gè)地方在接觸輪齒時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力都是從小到大、由無(wú)至有、繼續(xù)從大至小直至歸零這么一個(gè)過(guò)程，其主要受力方式是彎曲應(yīng)力；第三，運(yùn)行的過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)的地方只有滾動(dòng)，另外的齒面都是推動(dòng)的方式，但是其頂部較根部的運(yùn)行速度要大很多。

2 常見的齒輪傳動(dòng)失效形式

2.1 輪齒折斷

在一般情況下齒輪的折損有以下兩種現(xiàn)象，第一種為疲勞而導(dǎo)致的折斷：齒輪在進(jìn)行傳動(dòng)的時(shí)候，輪齒的受力就好比懸臂梁，齒根在受載時(shí)會(huì)出現(xiàn)很大的彎曲應(yīng)力，在這個(gè)時(shí)候齒輪運(yùn)行時(shí)會(huì)在交變的應(yīng)力里，但是若保持一會(huì)之后齒輪就可能會(huì)到疲勞的最高限度，這樣齒根圓角的地方就一定會(huì)因疲勞導(dǎo)致裂紋，若不斷增加應(yīng)力循環(huán)，裂紋也會(huì)越來(lái)越大，最后的結(jié)果就是齒輪會(huì)因?yàn)槠谧罱K破損。第二種就是負(fù)載過(guò)大折斷：運(yùn)行的時(shí)候齒輪當(dāng)經(jīng)受重大沖擊負(fù)荷又或者負(fù)載過(guò)大，亦或者是在安裝時(shí)精密度不準(zhǔn)使得一部分的齒輪受載這都會(huì)使得過(guò)載折損。但是和疲勞折損的不同之處在于，負(fù)荷太大折斷有不固定的斷裂位置，而且有粗糙的斷面。

如圖1所示：

圖1 輪齒折斷有兩種情況

2.2 齒面點(diǎn)蝕

齒輪在運(yùn)行時(shí)接觸面在不斷產(chǎn)生應(yīng)力，表面的金屬有可見的脫落情況，這樣齒面就會(huì)失靈，這也就是所謂齒面的點(diǎn)蝕。因?yàn)辇X輪的節(jié)線周圍摩擦與應(yīng)力都比較大，所以一般節(jié)線的根部出現(xiàn)點(diǎn)蝕情況最多。進(jìn)行滾滑運(yùn)作的時(shí)候，滾滑的相接的兩個(gè)面進(jìn)行運(yùn)作的時(shí)候因?yàn)槟Σ吝^(guò)大導(dǎo)致裂紋的出現(xiàn)，齒輪底部因?yàn)闈L滑運(yùn)作追越面，在兩個(gè)齒輪相互滾動(dòng)的過(guò)程中，追越面中的裂縫因?yàn)闈?rùn)滑油導(dǎo)致被迫滲入裂紋中，使之越來(lái)越大，因?yàn)橛鸵菏艿讲粩嗟臄D壓滲出，所以裂紋里不會(huì)出現(xiàn)高壓油。齒輪底部的裂紋在逐漸擴(kuò)大之后就會(huì)出現(xiàn)脫落的現(xiàn)象，也就是點(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

在潤(rùn)滑度達(dá)不到要求的時(shí)候或者是在開式的傳動(dòng)模式的時(shí)候，灰塵會(huì)到嚙合區(qū)域，導(dǎo)致表面材料的損耗，這種情況也就是輪齒表處的磨粒損耗。出現(xiàn)這種情況的時(shí)候，在滑動(dòng)的方向與速度上會(huì)有平行的滑痕。

2.4 齒面塑性變形

輪齒表面在低速超重負(fù)荷的情況中，因?yàn)榛瑒?dòng)產(chǎn)生的摩擦與輪齒表面應(yīng)力相結(jié)合，輪齒的材料將會(huì)出現(xiàn)塑性流動(dòng)，這樣的情況也就是所謂的塑性變形。其方向平行與滑動(dòng)的方向，由于滑動(dòng)時(shí)的摩擦與其方向的節(jié)線正好是相反的，因此主動(dòng)輪的輪齒的表面的變形是出現(xiàn)在齒輪頂部，同時(shí)有飛邊的現(xiàn)象，而節(jié)線周圍就會(huì)是溝谷，在動(dòng)輪上是恰恰相反的。

2.5 齒面膠合

齒輪在低速重負(fù)荷功率大或者是運(yùn)轉(zhuǎn)速度過(guò)快的情況中，因?yàn)檩嘄X表面的溫度太高或輪齒接觸面的壓力大，使得潤(rùn)滑的油膜破損，造成齒面直接性的接觸，這樣就會(huì)出現(xiàn)干摩擦與半干摩擦。在摩擦的同時(shí)，溫度也會(huì)隨之增加，輪齒的一些地方就會(huì)有熔焊附在表面，向運(yùn)作的方向逐漸撕裂，這個(gè)時(shí)候齒輪的表面會(huì)進(jìn)行移動(dòng)，這也就是齒面的蛟河。其中就包括冷熱兩種膠合。

3 齒輪失效的改進(jìn)措施

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)

最開始可以按照行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，使用CAD或者其他軟件挑選齒輪的整體結(jié)構(gòu)并進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，挑選出最適合的方案；接下來(lái)就能夠根據(jù)有限元與保角映射的方法來(lái)計(jì)算其齒根的應(yīng)力，圓角與過(guò)渡作用的部分使用半徑較大的齒根，在對(duì)外部齒輪進(jìn)行加工的時(shí)候利用凸頭留磨的滾刀方式，這樣會(huì)有效的減輕彎曲應(yīng)力，強(qiáng)度隨之增加，其次，進(jìn)行輪齒的契合形變分析的時(shí)候應(yīng)該將彈力學(xué)也考慮到其中，將齒輪頂部修緣與齒面的噴丸技術(shù)與其抗疲勞程度進(jìn)行增強(qiáng)，最后，采用極壓強(qiáng)粘度的添加劑輪滑油對(duì)其齒輪進(jìn)行潤(rùn)滑。

3.2 優(yōu)化選材

就齒輪材料的挑選來(lái)說(shuō)，需要考慮的有強(qiáng)度、韌性與工藝。如今用的最多的是低碳式合金碳鋼，其中的碳量相對(duì)來(lái)說(shuō)比較少，其滲透與耐磨的性能也加強(qiáng)了，一般挑選冶金好與真空式的精煉鋼，由于這類材料的精密度好，相對(duì)于其他的材料來(lái)說(shuō)氧、氮的含量較低，其強(qiáng)度與塑性都很好，這樣也避免各種情況出現(xiàn)的頻率過(guò)高。

3.3 優(yōu)化加工工藝

進(jìn)行機(jī)械加工輪齒的時(shí)候，必須將粗、精兩種齒輪分開，必須先將滾刀對(duì)齒輪進(jìn)行粗切之后再精滾，其深度必須保持一個(gè)百分比，這樣才能夠達(dá)到精準(zhǔn)度，其深度的誤差必須保持在零左右，進(jìn)行精滾之后誤差在零點(diǎn)零三毫米左右。其精度必須保持在九級(jí)之上，其粗糙程度也要按照設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)做?？梢栽谀X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由表面硬度來(lái)決定，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)化潤(rùn)滑工藝

齒輪出現(xiàn)磨損實(shí)效的情況與潤(rùn)滑分不開，大多的低速度重載的齒輪的觸動(dòng)應(yīng)力都很高，因此其齒輪的接觸面使用的材料的彈性是非常重要的。另外，在進(jìn)行齒輪契合的過(guò)程中，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。

參考文獻(xiàn)

[1]金旭星.汽車機(jī)械基礎(chǔ)[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[2]李翠蘭，張愛(ài)國(guó)，李慧萍.淺談煤礦機(jī)械齒輪技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)[J].煤礦機(jī)電，2008（3）.

[3]王琳.機(jī)械設(shè)備故障診斷與監(jiān)測(cè)的常用方法及其發(fā)展趨勢(shì)[J].武漢工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009（3）.

[4]張瀟云，周新建.煤礦機(jī)械傳動(dòng)齒輪失效形式分析[J].潤(rùn)滑與密封，2008（7）.

[5]蔣玉珍.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.endprint

摘 要：在機(jī)械功能效應(yīng)中機(jī)械齒輪停止工作對(duì)整個(gè)運(yùn)行過(guò)程帶來(lái)的影響非常大。文章從機(jī)械齒輪的傳動(dòng)特性作為起點(diǎn)，提出了在運(yùn)行的過(guò)程中最多見的幾種實(shí)效的狀態(tài)，并進(jìn)行改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：齒輪傳動(dòng)；失效；研究

1 齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)

齒輪的機(jī)能傳動(dòng)是通過(guò)主動(dòng)輪在助力從動(dòng)齒輪的齒槽來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在傳動(dòng)的過(guò)程中有以下幾個(gè)特點(diǎn)：第一，因?yàn)辇X輪在傳遞轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候是依附齒輪不斷推壓形成的，因此輪齒的受力方式是齒輪受力；第二，輪齒的受力面任何一個(gè)地方在接觸輪齒時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力都是從小到大、由無(wú)至有、繼續(xù)從大至小直至歸零這么一個(gè)過(guò)程，其主要受力方式是彎曲應(yīng)力；第三，運(yùn)行的過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)的地方只有滾動(dòng)，另外的齒面都是推動(dòng)的方式，但是其頂部較根部的運(yùn)行速度要大很多。

2 常見的齒輪傳動(dòng)失效形式

2.1 輪齒折斷

在一般情況下齒輪的折損有以下兩種現(xiàn)象，第一種為疲勞而導(dǎo)致的折斷：齒輪在進(jìn)行傳動(dòng)的時(shí)候，輪齒的受力就好比懸臂梁，齒根在受載時(shí)會(huì)出現(xiàn)很大的彎曲應(yīng)力，在這個(gè)時(shí)候齒輪運(yùn)行時(shí)會(huì)在交變的應(yīng)力里，但是若保持一會(huì)之后齒輪就可能會(huì)到疲勞的最高限度，這樣齒根圓角的地方就一定會(huì)因疲勞導(dǎo)致裂紋，若不斷增加應(yīng)力循環(huán)，裂紋也會(huì)越來(lái)越大，最后的結(jié)果就是齒輪會(huì)因?yàn)槠谧罱K破損。第二種就是負(fù)載過(guò)大折斷：運(yùn)行的時(shí)候齒輪當(dāng)經(jīng)受重大沖擊負(fù)荷又或者負(fù)載過(guò)大，亦或者是在安裝時(shí)精密度不準(zhǔn)使得一部分的齒輪受載這都會(huì)使得過(guò)載折損。但是和疲勞折損的不同之處在于，負(fù)荷太大折斷有不固定的斷裂位置，而且有粗糙的斷面。

如圖1所示：

圖1 輪齒折斷有兩種情況

2.2 齒面點(diǎn)蝕

齒輪在運(yùn)行時(shí)接觸面在不斷產(chǎn)生應(yīng)力，表面的金屬有可見的脫落情況，這樣齒面就會(huì)失靈，這也就是所謂齒面的點(diǎn)蝕。因?yàn)辇X輪的節(jié)線周圍摩擦與應(yīng)力都比較大，所以一般節(jié)線的根部出現(xiàn)點(diǎn)蝕情況最多。進(jìn)行滾滑運(yùn)作的時(shí)候，滾滑的相接的兩個(gè)面進(jìn)行運(yùn)作的時(shí)候因?yàn)槟Σ吝^(guò)大導(dǎo)致裂紋的出現(xiàn)，齒輪底部因?yàn)闈L滑運(yùn)作追越面，在兩個(gè)齒輪相互滾動(dòng)的過(guò)程中，追越面中的裂縫因?yàn)闈?rùn)滑油導(dǎo)致被迫滲入裂紋中，使之越來(lái)越大，因?yàn)橛鸵菏艿讲粩嗟臄D壓滲出，所以裂紋里不會(huì)出現(xiàn)高壓油。齒輪底部的裂紋在逐漸擴(kuò)大之后就會(huì)出現(xiàn)脫落的現(xiàn)象，也就是點(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

在潤(rùn)滑度達(dá)不到要求的時(shí)候或者是在開式的傳動(dòng)模式的時(shí)候，灰塵會(huì)到嚙合區(qū)域，導(dǎo)致表面材料的損耗，這種情況也就是輪齒表處的磨粒損耗。出現(xiàn)這種情況的時(shí)候，在滑動(dòng)的方向與速度上會(huì)有平行的滑痕。

2.4 齒面塑性變形

輪齒表面在低速超重負(fù)荷的情況中，因?yàn)榛瑒?dòng)產(chǎn)生的摩擦與輪齒表面應(yīng)力相結(jié)合，輪齒的材料將會(huì)出現(xiàn)塑性流動(dòng)，這樣的情況也就是所謂的塑性變形。其方向平行與滑動(dòng)的方向，由于滑動(dòng)時(shí)的摩擦與其方向的節(jié)線正好是相反的，因此主動(dòng)輪的輪齒的表面的變形是出現(xiàn)在齒輪頂部，同時(shí)有飛邊的現(xiàn)象，而節(jié)線周圍就會(huì)是溝谷，在動(dòng)輪上是恰恰相反的。

2.5 齒面膠合

齒輪在低速重負(fù)荷功率大或者是運(yùn)轉(zhuǎn)速度過(guò)快的情況中，因?yàn)檩嘄X表面的溫度太高或輪齒接觸面的壓力大，使得潤(rùn)滑的油膜破損，造成齒面直接性的接觸，這樣就會(huì)出現(xiàn)干摩擦與半干摩擦。在摩擦的同時(shí)，溫度也會(huì)隨之增加，輪齒的一些地方就會(huì)有熔焊附在表面，向運(yùn)作的方向逐漸撕裂，這個(gè)時(shí)候齒輪的表面會(huì)進(jìn)行移動(dòng)，這也就是齒面的蛟河。其中就包括冷熱兩種膠合。

3 齒輪失效的改進(jìn)措施

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)

最開始可以按照行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，使用CAD或者其他軟件挑選齒輪的整體結(jié)構(gòu)并進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，挑選出最適合的方案；接下來(lái)就能夠根據(jù)有限元與保角映射的方法來(lái)計(jì)算其齒根的應(yīng)力，圓角與過(guò)渡作用的部分使用半徑較大的齒根，在對(duì)外部齒輪進(jìn)行加工的時(shí)候利用凸頭留磨的滾刀方式，這樣會(huì)有效的減輕彎曲應(yīng)力，強(qiáng)度隨之增加，其次，進(jìn)行輪齒的契合形變分析的時(shí)候應(yīng)該將彈力學(xué)也考慮到其中，將齒輪頂部修緣與齒面的噴丸技術(shù)與其抗疲勞程度進(jìn)行增強(qiáng)，最后，采用極壓強(qiáng)粘度的添加劑輪滑油對(duì)其齒輪進(jìn)行潤(rùn)滑。

3.2 優(yōu)化選材

就齒輪材料的挑選來(lái)說(shuō)，需要考慮的有強(qiáng)度、韌性與工藝。如今用的最多的是低碳式合金碳鋼，其中的碳量相對(duì)來(lái)說(shuō)比較少，其滲透與耐磨的性能也加強(qiáng)了，一般挑選冶金好與真空式的精煉鋼，由于這類材料的精密度好，相對(duì)于其他的材料來(lái)說(shuō)氧、氮的含量較低，其強(qiáng)度與塑性都很好，這樣也避免各種情況出現(xiàn)的頻率過(guò)高。

3.3 優(yōu)化加工工藝

進(jìn)行機(jī)械加工輪齒的時(shí)候，必須將粗、精兩種齒輪分開，必須先將滾刀對(duì)齒輪進(jìn)行粗切之后再精滾，其深度必須保持一個(gè)百分比，這樣才能夠達(dá)到精準(zhǔn)度，其深度的誤差必須保持在零左右，進(jìn)行精滾之后誤差在零點(diǎn)零三毫米左右。其精度必須保持在九級(jí)之上，其粗糙程度也要按照設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)做?？梢栽谀X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由表面硬度來(lái)決定，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)化潤(rùn)滑工藝

齒輪出現(xiàn)磨損實(shí)效的情況與潤(rùn)滑分不開，大多的低速度重載的齒輪的觸動(dòng)應(yīng)力都很高，因此其齒輪的接觸面使用的材料的彈性是非常重要的。另外，在進(jìn)行齒輪契合的過(guò)程中，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。

參考文獻(xiàn)

[1]金旭星.汽車機(jī)械基礎(chǔ)[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[2]李翠蘭，張愛(ài)國(guó)，李慧萍.淺談煤礦機(jī)械齒輪技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)[J].煤礦機(jī)電，2008（3）.

[3]王琳.機(jī)械設(shè)備故障診斷與監(jiān)測(cè)的常用方法及其發(fā)展趨勢(shì)[J].武漢工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009（3）.

[4]張瀟云，周新建.煤礦機(jī)械傳動(dòng)齒輪失效形式分析[J].潤(rùn)滑與密封，2008（7）.

[5]蔣玉珍.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.endprint

摘 要：在機(jī)械功能效應(yīng)中機(jī)械齒輪停止工作對(duì)整個(gè)運(yùn)行過(guò)程帶來(lái)的影響非常大。文章從機(jī)械齒輪的傳動(dòng)特性作為起點(diǎn)，提出了在運(yùn)行的過(guò)程中最多見的幾種實(shí)效的狀態(tài)，并進(jìn)行改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：齒輪傳動(dòng)；失效；研究

1 齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)

齒輪的機(jī)能傳動(dòng)是通過(guò)主動(dòng)輪在助力從動(dòng)齒輪的齒槽來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在傳動(dòng)的過(guò)程中有以下幾個(gè)特點(diǎn)：第一，因?yàn)辇X輪在傳遞轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候是依附齒輪不斷推壓形成的，因此輪齒的受力方式是齒輪受力；第二，輪齒的受力面任何一個(gè)地方在接觸輪齒時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力都是從小到大、由無(wú)至有、繼續(xù)從大至小直至歸零這么一個(gè)過(guò)程，其主要受力方式是彎曲應(yīng)力；第三，運(yùn)行的過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)的地方只有滾動(dòng)，另外的齒面都是推動(dòng)的方式，但是其頂部較根部的運(yùn)行速度要大很多。

2 常見的齒輪傳動(dòng)失效形式

2.1 輪齒折斷

在一般情況下齒輪的折損有以下兩種現(xiàn)象，第一種為疲勞而導(dǎo)致的折斷：齒輪在進(jìn)行傳動(dòng)的時(shí)候，輪齒的受力就好比懸臂梁，齒根在受載時(shí)會(huì)出現(xiàn)很大的彎曲應(yīng)力，在這個(gè)時(shí)候齒輪運(yùn)行時(shí)會(huì)在交變的應(yīng)力里，但是若保持一會(huì)之后齒輪就可能會(huì)到疲勞的最高限度，這樣齒根圓角的地方就一定會(huì)因疲勞導(dǎo)致裂紋，若不斷增加應(yīng)力循環(huán)，裂紋也會(huì)越來(lái)越大，最后的結(jié)果就是齒輪會(huì)因?yàn)槠谧罱K破損。第二種就是負(fù)載過(guò)大折斷：運(yùn)行的時(shí)候齒輪當(dāng)經(jīng)受重大沖擊負(fù)荷又或者負(fù)載過(guò)大，亦或者是在安裝時(shí)精密度不準(zhǔn)使得一部分的齒輪受載這都會(huì)使得過(guò)載折損。但是和疲勞折損的不同之處在于，負(fù)荷太大折斷有不固定的斷裂位置，而且有粗糙的斷面。

如圖1所示：

圖1 輪齒折斷有兩種情況

2.2 齒面點(diǎn)蝕

齒輪在運(yùn)行時(shí)接觸面在不斷產(chǎn)生應(yīng)力，表面的金屬有可見的脫落情況，這樣齒面就會(huì)失靈，這也就是所謂齒面的點(diǎn)蝕。因?yàn)辇X輪的節(jié)線周圍摩擦與應(yīng)力都比較大，所以一般節(jié)線的根部出現(xiàn)點(diǎn)蝕情況最多。進(jìn)行滾滑運(yùn)作的時(shí)候，滾滑的相接的兩個(gè)面進(jìn)行運(yùn)作的時(shí)候因?yàn)槟Σ吝^(guò)大導(dǎo)致裂紋的出現(xiàn)，齒輪底部因?yàn)闈L滑運(yùn)作追越面，在兩個(gè)齒輪相互滾動(dòng)的過(guò)程中，追越面中的裂縫因?yàn)闈?rùn)滑油導(dǎo)致被迫滲入裂紋中，使之越來(lái)越大，因?yàn)橛鸵菏艿讲粩嗟臄D壓滲出，所以裂紋里不會(huì)出現(xiàn)高壓油。齒輪底部的裂紋在逐漸擴(kuò)大之后就會(huì)出現(xiàn)脫落的現(xiàn)象，也就是點(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

在潤(rùn)滑度達(dá)不到要求的時(shí)候或者是在開式的傳動(dòng)模式的時(shí)候，灰塵會(huì)到嚙合區(qū)域，導(dǎo)致表面材料的損耗，這種情況也就是輪齒表處的磨粒損耗。出現(xiàn)這種情況的時(shí)候，在滑動(dòng)的方向與速度上會(huì)有平行的滑痕。

2.4 齒面塑性變形

輪齒表面在低速超重負(fù)荷的情況中，因?yàn)榛瑒?dòng)產(chǎn)生的摩擦與輪齒表面應(yīng)力相結(jié)合，輪齒的材料將會(huì)出現(xiàn)塑性流動(dòng)，這樣的情況也就是所謂的塑性變形。其方向平行與滑動(dòng)的方向，由于滑動(dòng)時(shí)的摩擦與其方向的節(jié)線正好是相反的，因此主動(dòng)輪的輪齒的表面的變形是出現(xiàn)在齒輪頂部，同時(shí)有飛邊的現(xiàn)象，而節(jié)線周圍就會(huì)是溝谷，在動(dòng)輪上是恰恰相反的。

2.5 齒面膠合

齒輪在低速重負(fù)荷功率大或者是運(yùn)轉(zhuǎn)速度過(guò)快的情況中，因?yàn)檩嘄X表面的溫度太高或輪齒接觸面的壓力大，使得潤(rùn)滑的油膜破損，造成齒面直接性的接觸，這樣就會(huì)出現(xiàn)干摩擦與半干摩擦。在摩擦的同時(shí)，溫度也會(huì)隨之增加，輪齒的一些地方就會(huì)有熔焊附在表面，向運(yùn)作的方向逐漸撕裂，這個(gè)時(shí)候齒輪的表面會(huì)進(jìn)行移動(dòng)，這也就是齒面的蛟河。其中就包括冷熱兩種膠合。

3 齒輪失效的改進(jìn)措施

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)

最開始可以按照行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，使用CAD或者其他軟件挑選齒輪的整體結(jié)構(gòu)并進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，挑選出最適合的方案；接下來(lái)就能夠根據(jù)有限元與保角映射的方法來(lái)計(jì)算其齒根的應(yīng)力，圓角與過(guò)渡作用的部分使用半徑較大的齒根，在對(duì)外部齒輪進(jìn)行加工的時(shí)候利用凸頭留磨的滾刀方式，這樣會(huì)有效的減輕彎曲應(yīng)力，強(qiáng)度隨之增加，其次，進(jìn)行輪齒的契合形變分析的時(shí)候應(yīng)該將彈力學(xué)也考慮到其中，將齒輪頂部修緣與齒面的噴丸技術(shù)與其抗疲勞程度進(jìn)行增強(qiáng)，最后，采用極壓強(qiáng)粘度的添加劑輪滑油對(duì)其齒輪進(jìn)行潤(rùn)滑。

3.2 優(yōu)化選材

就齒輪材料的挑選來(lái)說(shuō)，需要考慮的有強(qiáng)度、韌性與工藝。如今用的最多的是低碳式合金碳鋼，其中的碳量相對(duì)來(lái)說(shuō)比較少，其滲透與耐磨的性能也加強(qiáng)了，一般挑選冶金好與真空式的精煉鋼，由于這類材料的精密度好，相對(duì)于其他的材料來(lái)說(shuō)氧、氮的含量較低，其強(qiáng)度與塑性都很好，這樣也避免各種情況出現(xiàn)的頻率過(guò)高。

3.3 優(yōu)化加工工藝

進(jìn)行機(jī)械加工輪齒的時(shí)候，必須將粗、精兩種齒輪分開，必須先將滾刀對(duì)齒輪進(jìn)行粗切之后再精滾，其深度必須保持一個(gè)百分比，這樣才能夠達(dá)到精準(zhǔn)度，其深度的誤差必須保持在零左右，進(jìn)行精滾之后誤差在零點(diǎn)零三毫米左右。其精度必須保持在九級(jí)之上，其粗糙程度也要按照設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)做?？梢栽谀X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由表面硬度來(lái)決定，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)化潤(rùn)滑工藝

齒輪出現(xiàn)磨損實(shí)效的情況與潤(rùn)滑分不開，大多的低速度重載的齒輪的觸動(dòng)應(yīng)力都很高，因此其齒輪的接觸面使用的材料的彈性是非常重要的。另外，在進(jìn)行齒輪契合的過(guò)程中，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。

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