齿轮传动失效形式分析

正常情况下，齿轮传动的失效主要集中在轮齿部位。由于在工作条件、材料及热处理等方面的差异，轮齿失效又有不同形式。

1）轮齿折断

轮齿折断是指齿轮的一个或多个轮齿发生断裂（图5-1），这是对齿轮传动影响最大的失效形式，后果也最为严重。

图5-1　轮齿折断

根据发生机理的不同，轮齿折断可分为疲劳折断和过载（静强度）折断。一般情况下，主要是疲劳折断。

齿轮工作时，轮齿相当于一个悬臂梁，如图5-1a所示，受载后齿根部分产生的弯曲应力最大，并且为循环变应力，同时齿根过渡部分的尺寸和形状的突变及加工刀痕等会引起应力集中。当轮齿重复受载后，齿根处将会产生疲劳裂纹，并逐步扩展，最终导致轮齿的疲劳折断。过载折断主要由轮齿受到突然过载、冲击载荷作用所引起，当轮齿严重磨损减薄后，也会因静强度不足而发生过载折断。

从断裂形态上看，轮齿折断有整体折断和局部折断，如图5-1b、c所示。整体折断一般发生在齿根。对于直齿圆柱齿轮（简称直齿轮），疲劳裂纹一般从齿根表面沿齿向并向齿内扩展而发生整体折断。局部折断主要由轮齿上载荷的分布不均所造成，通常发生在轮齿的一端。斜齿圆柱齿轮（简称斜齿轮）和人字齿轮，由于轮齿工作面上的接触线为一条斜线，轮齿受载后，疲劳裂纹往往从齿根向齿顶扩展，易发生局部折断。当齿轮制造或安装精度不高或轴的弯曲变形过大，使轮齿局部受载过大时，直齿轮也会发生局部折断。

增大齿根过渡圆角半径，降低表面粗糙度以减小齿根应力集中，选择适当的齿轮材料和热处理方法，使齿芯部分有足够的韧性，采用喷丸、滚压等工艺对齿根处进行强化处理等，均可提高轮齿抗疲劳折断的能力。此外，尽可能消除轮齿的载荷分布不均现象，将有利于避免轮齿的局部折断。

为了防止齿轮折断，通常应对齿轮传动进行齿根弯曲疲劳强度计算，必要时还应进行齿根弯曲静强度计算。

2）齿面点蚀

在润滑良好的闭式齿轮传动中，其工作齿面上的接触应力是随时间而变化的脉动循环应力。在接触变应力作用下，齿轮工作一定时间后将在节线附近表面产生细微的疲劳裂纹，润滑油的挤入又加速这些疲劳裂纹的扩展，导致轮齿表面金属微粒剥落，形成如图5-2所示的细小凹坑，这种现象称为齿面点蚀，是一种表面疲劳破坏现象。

图5-2　齿面点蚀

点蚀出现后，齿面的破坏范围不断扩大，致使齿面不再是完整的渐开线曲面，从而影响轮齿的正常啮合，使得冲击、振动和噪声变大，最终导致齿轮传动失效。

实践表明，齿面点蚀通常发生在润滑良好的闭式软齿面齿轮传动中，并首先出现在靠近节线的齿根面上，然后再向其他部位扩展。这是因为轮齿啮合过程中，当轮齿在靠近节线处啮合时，啮合的齿对数较少，特别是直齿轮传动，这时只有一对齿啮合，因此该处所受的接触应力最大；同时由于该处齿面间的相对滑动速度较低，不易形成润滑油膜，所以在节线附近最易产生疲劳点蚀。在开式齿轮传动中，由于轮齿表面磨损较快，点蚀未充分形成之前已被磨掉，因而一般看不到点蚀破坏。

提高齿面硬度、降低表面粗糙度、采用合理的变位及提高润滑油的黏度等，均可提高齿轮抗疲劳点蚀的能力。(www.xing528.com)

为了防止齿面点蚀，对闭式齿轮传动通常应进行齿面接触疲劳强度计算。

3）齿面磨损

齿轮啮合传动时，两个渐开线齿廓之间存在相对滑动，在载荷作用下，齿面间的灰尘、硬屑粒会引起齿面磨损，如图5-3所示。严重的磨损将使齿面渐开线齿形失真，齿侧间隙增大，从而产生冲击和噪声，甚至发生轮齿折断。在开式传动中，特别在多灰尘场合，齿面磨损是轮齿失效的主要形式。

图5-3　齿面磨损

采用闭式传动、提高齿面硬度并选择合理的齿面硬度匹配、减小齿面粗糙度和保持良好润滑，都可大大减轻齿面磨损。

4）齿面胶合

润滑良好的啮合齿面间保持一层润滑油膜，在高速重载传动中，常因啮合区温度升高或因齿面的压力很大而导致润滑油膜破裂，使齿面金属直接接触。在高温高压条件下，相接触的金属材料熔化粘在一起，并由于两个齿面间存在相对滑动，导致较软齿面上的金属被撕下，从而在齿面上形成与滑动方向一致的沟槽状伤痕，如图5-4所示，这种现象称为齿面胶合。传动时，在齿面瞬时温度越高、相对滑动速度越大的地方，越易发生胶合。在低速重载齿轮传动中，因齿面的压力很大，润滑油膜不易形成，也可能产生胶合破坏，此时齿面的瞬时温度并无明显增高，故称为冷胶合。

图5-4　齿面胶合

为了防止产生齿面胶合，除适当提高齿面硬度和降低表面粗糙度外，对于低速齿轮传动应采用黏度大的润滑油，高速传动应采用抗胶合能力强的润滑油，并在润滑油中加入极压添加剂等。

5）齿面塑性变形

当齿轮材料较软而载荷及摩擦力较大时，啮合轮齿的相互滚压与滑动将引起齿轮材料的塑性流动。如图5-5所示，由于材料的塑性流动方向与齿面上所受的摩擦力方向一致，而齿轮工作时主动轮齿面受到的摩擦力方向背离节圆，从动轮齿面受到的摩擦力方向指向节圆，所以在主动轮轮齿上节线处被碾出沟槽，从动轮轮齿上节线处被挤出脊棱，使齿廓失去正确的齿形，瞬时传动比发生变化，引起附加动载荷。这种失效形式多发生在低速、重载和启动频繁的传动中。

图5-5　齿面塑性变形

提高轮齿齿面硬度、减小接触应力、改善润滑状况及采用高黏度的或加有极压添加剂的润滑油等，均有助于减缓或防止轮齿产生塑性变形。