齒輪傳動(dòng)典型故障處理經(jīng)驗(yàn)交流

孟嘉強(qiáng)

（中國(guó)重汽集團(tuán)大同齒輪有限公司技術(shù)中心， 山西 大同 037305）

引言

齒輪傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)中最重要的傳動(dòng)之一，形式很多，應(yīng)用廣泛。齒輪的傳動(dòng)分為開式傳動(dòng)和閉式傳動(dòng)，本文主要針對(duì)漸開線圓柱齒輪在潤(rùn)滑較好的閉式傳動(dòng)中容易出現(xiàn)的故障進(jìn)行分析討論。

1 故障表現(xiàn)形式

漸開線圓柱齒輪的傳動(dòng)速度和功率范圍很大，傳動(dòng)效率高，一對(duì)齒輪可達(dá)0.980～0.995，對(duì)中心距的敏感性小，互換性好，在各機(jī)械行業(yè)中應(yīng)用廣泛[1]。在齒輪傳動(dòng)的實(shí)際應(yīng)用中，不同的使用工況有不同的故障表現(xiàn)，常見的典型故障類型主要有以下幾個(gè)方面：

1）齒根部斷裂（見圖1）。由于齒根彎曲強(qiáng)度不足、輪齒受力異常、齒根應(yīng)力集中等，輪齒自根部折斷，單齒斷裂后，傳動(dòng)處于嚴(yán)重不穩(wěn)定的狀態(tài)，會(huì)迅速造成其他輪齒的斷裂。

圖1 齒根斷裂故障照片

2）齒面點(diǎn)蝕（見圖2）。由于齒面接觸強(qiáng)度不足、輪齒受力異常、齒面磨損異常等，輪齒齒面出現(xiàn)麻點(diǎn)狀的表層剝落，齒面出現(xiàn)點(diǎn)蝕后，傳動(dòng)處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，在閉式傳動(dòng)中會(huì)引起箱內(nèi)異響、震動(dòng)等問題。

3）異物、雜質(zhì)作用下的齒面損傷。閉式傳動(dòng)中，由于內(nèi)部清潔度不良，異物夾在齒面之間，在齒輪嚙合過程中對(duì)齒面造成擠壓，形成壓痕，齒面光潔度及漸開線被破壞，造成齒輪嚙合不良，引起異響、震動(dòng)、齒輪損壞。

4）潤(rùn)滑不良導(dǎo)致的異常燒蝕（見圖3）。閉式傳動(dòng)中，由于箱內(nèi)潤(rùn)滑不良，齒輪嚙合傳動(dòng)過程中，齒面的滑動(dòng)不能形成油膜，近似于齒面在高速下持續(xù)進(jìn)行干摩擦，短期內(nèi)出現(xiàn)齒面異常磨損，以及高溫下的燒蝕變形，并很快發(fā)展為傳動(dòng)失效。

圖3 齒部燒蝕故障照片

2 故障處理方案

根據(jù)上述分析，后兩條為外部客觀因素造成的齒輪類故障，控制好內(nèi)部清潔度、加強(qiáng)潤(rùn)滑后應(yīng)該可以避免，下面主要針對(duì)齒根斷裂和齒面點(diǎn)蝕進(jìn)行分析（此兩類故障均為齒輪自身故障）。

2.1 齒根彎曲斷裂的處理方案

齒根彎曲強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

式中：Ft為齒面徑向載荷；b為齒寬；mn為模數(shù)；YF為載荷作用于單對(duì)齒嚙合區(qū)外界點(diǎn)時(shí)的齒形系數(shù)；YS為載荷作用于但對(duì)齒嚙合區(qū)外界點(diǎn)時(shí)的應(yīng)力修正系數(shù)；Yβ為螺旋角系數(shù)；KA為使用系數(shù)；KV為動(dòng)載系數(shù)；KFβ為彎曲強(qiáng)度計(jì)算的齒向載荷分配系數(shù)；KFα為彎曲強(qiáng)度計(jì)算的齒間載荷分配系數(shù)。

根據(jù)上式中各相關(guān)參數(shù)情況，在基本設(shè)計(jì)參數(shù)模數(shù)m、齒數(shù)z、壓力角α、螺旋角β、中心距a及受力條件不變的前提下，提高齒輪彎曲強(qiáng)度的方法思路主要有：

1）增大齒根過渡圓角半徑，即增大加工刀具刀尖圓角。增加齒根過渡圓角半徑，可以有效減小齒根處的應(yīng)力集中，從而達(dá)到改善齒根強(qiáng)度的效果。

2）齒輪軸向加寬。根據(jù)強(qiáng)度計(jì)算公式，彎曲強(qiáng)度與齒寬成反比，因此齒寬可以有效提升齒輪彎曲強(qiáng)度。

3）提高嚙合重合度。齒輪的在嚙合傳動(dòng)過程中，由于重合度非整數(shù)，因此，齒輪的嚙合受力為交變的彎曲應(yīng)力，如重合度在1～2之間，則齒輪嚙合過程中為1齒受力或2齒受力；如重合度在2～3之間，則齒輪嚙合過程中為2齒受力或3齒受力。受力齒越多越能使Ft分散越多，從而達(dá)到改善單齒齒根受力。

4）提升加工水平、精度。齒輪周節(jié)累計(jì)誤差、單個(gè)齒距極限偏差等反應(yīng)齒輪分布情況（見圖4，略夸張），單個(gè)齒距極限偏差較差時(shí)，在嚙合側(cè)隙合格、不存在嚙合干涉的前提下，在齒輪嚙合過程中，單齒受力不均勻，相對(duì)孤立的單齒受力狀況較差，容易發(fā)生彎曲折斷。

圖4 輪齒分布不均勻示意圖

2.2 齒面點(diǎn)蝕的處理方案

由于相嚙合齒輪的齒根與齒頂均有相對(duì)滑動(dòng)，因此運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會(huì)由于滑動(dòng)而產(chǎn)生油膜，因而齒根及齒頂處不易發(fā)生點(diǎn)蝕；相同運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，節(jié)圓處沒有相對(duì)滑動(dòng)，不利于油膜產(chǎn)生，容易發(fā)生點(diǎn)蝕。因此齒輪點(diǎn)蝕一般發(fā)生在節(jié)圓位置。

降低齒面點(diǎn)蝕的方法：

式中：d1為節(jié)圓直徑；u為傳送比；Z為載荷作用于單對(duì)齒嚙合區(qū)外界點(diǎn)時(shí)的齒形系數(shù)；ZH為載荷作用于但對(duì)齒嚙合區(qū)外界點(diǎn)時(shí)的應(yīng)力修正系數(shù)；ZE為螺旋角系數(shù)；Zε為螺旋角系數(shù)；Zβ為螺旋角系數(shù)；KA為使用系數(shù)；KV為動(dòng)載系數(shù)；KHβ為彎曲強(qiáng)度計(jì)算的齒向載荷分配系數(shù)；KHα為彎曲強(qiáng)度計(jì)算的齒間載荷分配系數(shù)。

根據(jù)上式中各相關(guān)參數(shù)情況，在基本設(shè)計(jì)參數(shù)模數(shù)m、齒數(shù)z、壓力角α、螺旋角β、中心距a及受力條件不變的前提下，提高齒輪彎曲強(qiáng)度的方法思路主要有以下幾方面。

2.2.1 提高嚙合重合度

齒輪的在嚙合傳動(dòng)過程中，由于重合度非整數(shù)，因此，齒輪齒面的嚙合受力為交變的接觸應(yīng)力（原理同彎曲強(qiáng)度提升）。受力齒越多越能使Ft分散越多，從而改善齒輪齒面受力。

2.2.2 減小齒輪齒面磨損

齒廓線磨損的大小隨所考察的點(diǎn)在齒面上的位置而變化。齒輪的磨損按區(qū)域可以分為節(jié)圓至齒頂、節(jié)圓至齒根。靠近齒根處磨損量最大，隨壓力角的增大，磨損量逐漸減少，分度點(diǎn)處磨損量最小，實(shí)際齒輪嚙合傳動(dòng)中，也能很好地印證此理論的正確性（見圖5，齒根處異常發(fā)亮）。實(shí)際應(yīng)用中可以通過降低齒面粗糙度、減小齒面滑動(dòng)率來減少齒面磨損的發(fā)生。

圖5 齒根磨損發(fā)亮照片

2.2.3 齒輪修形

2.2.3.1 齒形修形

上文中提到齒輪嚙合傳動(dòng)過程中，由于重合度非整數(shù)、齒部受力變形的原因，傳動(dòng)過程中載荷分布不均勻，每個(gè)齒的嚙合過程都會(huì)發(fā)生應(yīng)力突變，因此而造成不傳動(dòng)不平穩(wěn)，會(huì)使齒輪承載能力有不同程度的降低?？梢酝ㄟ^齒形修形來改善這一問題。

1）齒頂修緣和齒根修緣：由于現(xiàn)有加工工藝可以進(jìn)行熱后齒形修整，在不考慮齒輪熱變形的情況下，齒頂修緣和齒根修緣根據(jù)輪齒的彈性變形開展。常用的修緣方式可以參考齒輪手冊(cè)[2]。

2）鼓形修正：為改善齒面受力，避免發(fā)生應(yīng)力集中，一般齒輪設(shè)計(jì)中會(huì)考慮增加齒形方向的鼓形量要求。齒形鼓形要求結(jié)合齒頂修緣和齒根修緣，使輪齒齒面在漸開線曲線的基礎(chǔ)上呈現(xiàn)進(jìn)一步的鼓形，增加鼓形量后，齒厚有一定的增加，且受力狀態(tài)得以改善。

2.2.3.2 齒向修形

1）鼓形修正（非常規(guī)嚙合，雙鼓形或直線形）：為降低齒輪嚙合的應(yīng)力，齒向一般修形為鼓形，但長(zhǎng)齒的熱處理變形較大，且不易控制，熱后不加工的情況下，齒向曲線不能保證光滑，不光滑即意味著有異常凸起或凹陷；異常點(diǎn)在嚙合過程中應(yīng)力集中，從而發(fā)生點(diǎn)蝕。實(shí)際嚙合中齒向設(shè)計(jì)應(yīng)考慮齒輪接觸實(shí)際情況進(jìn)行齒向鼓形高點(diǎn)位置的設(shè)定。

2）螺旋角修正（齒輪軸的剛性變形）：齒輪軸的裝配方式，無論是簡(jiǎn)支或懸臂結(jié)構(gòu)，都避免不了出現(xiàn)軸受力后的剛度變形，變形后，處于軸向不同位置的輪齒會(huì)出現(xiàn)不同的傾斜（見圖6），傾斜后，齒輪受力發(fā)生變化，輪齒軸向受力不均勻，從而引起異常受力點(diǎn)的點(diǎn)蝕。改善方法為，根據(jù)輪齒徑向受力，計(jì)算齒輪所處位置的軸向傾角，折算到相應(yīng)的齒輪螺旋角。通過改變齒輪螺旋角，達(dá)到齒向受力均勻的效果。

2.2.4 提升加工水平、精度

標(biāo)準(zhǔn)齒形曲線為直線，經(jīng)過齒頂和齒根修緣及鼓形修正后變?yōu)楣男危庸ず髴?yīng)為相對(duì)光滑的弧線。如齒形弧線上出現(xiàn)異常凸起或凹陷，則會(huì)造成嚙合過程中異常點(diǎn)應(yīng)力集中，從而發(fā)生點(diǎn)蝕。

圖6 齒輪軸剛度變形后示意圖