齒輪傳動失效分析及預防

張云秀

（濰坊工程職業(yè)學院 山東 青州 262500）

齒輪傳動是機械傳動中應用最廣泛的一種傳動形式，它具有傳動平穩(wěn)、傳動比準確、承載能力強、工作效率高、結構緊湊等優(yōu)點。但齒輪在傳動過程中也會出現(xiàn)傳動失效的問題，且失效形式是多種多樣的。齒輪齒圈、輪輻、輪轂部分的結構尺寸通常是經驗設計的，其強度和剛度較為富裕，因此在傳動中極少失效。齒輪傳動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彎曲應力作用，當彎曲應力超過材料疲憊極限時，在輪齒齒根受拉一側就會產生疲勞裂紋，在齒根應力集中處，裂紋加速擴展，直至輪齒折斷。過載折斷是由于輪齒受短時意外嚴重過載或沖擊時，齒輪材料較脆時，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中輪齒受拉應力一側的齒根部位。對于齒寬較小的直齒輪常發(fā)生全齒折斷，對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當分度圓直徑為定值時，減小齒輪齒數(shù)并增大齒輪模數(shù)，以便增大齒根齒厚，進而提高齒根彎曲疲勞強度；②采用正變位的方法加工齒輪，以提高齒根抗彎強度；③提高齒面硬度，進而提高齒面接觸疲勞強度；④增大齒根處圓角半徑，以減小應力集中；⑤提高加工精度，降低表面粗糙度，減少加工損傷，避免應力集中；⑥提高輪齒精度和齒輪支撐剛度，進而改善輪齒載荷分布；⑦對齒輪齒根進行強化處理；⑧對齒輪齒芯進行熱處理，提高其韌性。

2 齒面點蝕

齒面點蝕是由于齒面受到脈動循環(huán)接觸應力作用，當接觸應力超過材料的接觸疲勞極限時，就會產生細微裂紋，這時潤滑油進入裂縫，形成高壓封閉油腔，潤滑油的楔擠作用使裂紋擴展，直至齒面材料點狀剝落。齒面點蝕常發(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)線是由于齒輪傳動重合度小于2，節(jié)線處一般只有一對齒嚙合，接觸應力較大；同時由于節(jié)線處做純滾動，靠近節(jié)線附近滑動速度小，油膜不易形成，摩擦力大，易產生裂紋。開式齒輪傳動無齒面點蝕，原因是開式齒輪傳動齒面磨損速度大于點蝕速度。

提高齒面抗點蝕能力的措施：①提高齒面硬度可增大作用接觸應力，進而提高齒面接觸疲勞強度；②采用正變位傳動，減少接觸應力，進而提高齒面接觸疲勞強度；③提高潤滑油粘度；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的主要失效形式，它是由于齒輪長期暴露在外面，砂粒、金屬碎屑、灰塵等硬顆粒進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。齒面磨損會使齒廓失真，瞬時傳動比不固定，從而導致傳動精度低，產生沖擊、振動、噪音等。如果齒面磨損進一步加劇，會使得輪齒變薄，齒根彎曲疲勞強度降低，容易發(fā)生輪齒折斷。

提高齒面抗磨損能力的措施：①對開式齒輪傳動安裝防塵罩；②采用耐磨材料；③注意潤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中，較高的速度使得嚙合區(qū)溫升較大，潤滑油粘度降低，油膜遭到破壞，金屬表面直接接觸而熔焊，此時齒面間的相對運動使得較軟的齒面沿著滑動方向撕脫，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中，由于齒輪傳動功率較大，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。齒面膠合會使傳動不平穩(wěn)，甚至導致齒輪報廢。

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

5 齒面塑性變形

在軟齒面齒輪傳動中，在重載荷作用下，齒面間的應力超過了材料屈服極限，較硬一側的齒面沿摩擦力方向推擠較軟一側齒面而產生塑性流動，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選用粘度大的潤滑油。