常见的轮齿失效形式分析

齿轮传动根据装置形式，可分为开式、半开式和闭式；根据使用情况，可分为低速、高速，或轻载、重载；根据齿轮材料的性能及热处理工艺的不同，轮齿有较脆（如经整体淬火，齿面硬度很高的钢齿轮或铸铁齿轮）或较韧（如经调质、常化的优质碳钢及合金钢齿轮），齿面较硬（齿轮齿廓工作面的硬度大于350 HBS 或38 HRC 的硬齿面齿轮），或较软（轮齿工作面硬度小于或等于350 HBS 或38 HRC 的软齿面齿轮）的差别等。由于上述各种条件的不同，齿轮传动也就出现了不同的失效形式。齿轮传动是依靠轮齿的相互啮合来传递运动和动力的。一般来说，齿轮传动的失效主要是轮齿的失效，而轮齿的失效形式也是多种多样的，这里就只简单地介绍较为常见的几种失效形式，如轮齿折断、齿廓齿面磨损、点蚀、胶合及塑性变形等，其余的轮齿失效形式参见有关资料。至于轮齿其他部分（如轮辐、轮毂、齿圈等），除对齿轮的制造和质量大小有严格的要求和限制外，通常按经验公式确定相关尺寸，一般均可保障齿轮的强度和刚度要求，实践中很少出现失效。

（1）轮齿折断

由于工作情况不同，轮齿折断有多种形式。在正常工作情况下，主要是齿根弯曲疲劳折断，因为轮齿受载后，齿根部产生的弯曲应力最大，而且是承受循环应力，再加上齿根过渡处的截面突变及加工刀痕等引起的应力集中作用，当应力值超过材料的弯曲疲劳极限时，齿根部产生疲劳裂纹，并逐渐扩展，致使轮齿疲劳折断，如图8.2（a）所示。

此外，当轮齿突然过载或受到冲击载荷时，可能出现过载折断；若轮齿经严重磨损使齿厚过分减薄时，即使在正常载荷下，也会发生轮齿折断。

如出现载荷集中（斜齿轮传动中的受载轮齿）或由于制造、安装等误差使其局部过载（如宽度较大的直齿圆柱齿轮）时，会造成局部折断，如图8.2（b）所示。

提高轮齿抗折断的措施很多，如：增大齿根圆角半径，消除齿根部的加工刀痕以减小该处的应力集中；采用合适的材料和热处理方法，提高齿芯部的韧性；采用喷丸、滚压等工艺措施，强化齿根表层；增大齿轮轴及支承的刚度，以减轻轮齿局部过载的程度等。

（2）齿面点蚀

齿轮传动过程中，在啮合处产生很大的接触应力，脱离啮合后接触应力即消失，故对齿廓工作面的某一固定点而言，受到脉动循环接触应力的作用。如果接触应力超过齿轮材料的接触疲劳极限时，齿面上产生裂纹，再加上润滑剂等的作用，裂纹扩展使表层金属微粒剥落，形成小凹坑，如工作条件未加改善，这些小凹坑将扩大而连成一片，最后形成明显的齿面损伤，这种现象称为齿面点蚀。点蚀使轮齿工作表面损坏，造成传动不平稳和产生噪声。

轮齿在靠近节线附近啮合时，由于相对滑动速度低，形成润滑油膜的条件差，润滑不良，摩擦力大。因此，点蚀也就首先出现在靠近节线的附近。实践表明，点蚀通常发生在靠近节线的齿根面上，如图8.3 所示。

图8.2　轮齿折断

图8.3　齿面点蚀

提高齿面硬度，降低表面粗糙度，以及在啮合的轮齿间加注润滑油（对速度不高的齿轮传动用黏度较高的润滑油为宜，速度较高（如圆周速度大于12 m/s）用黏度低的润滑油进行喷油润滑）等措施均可有效防止点蚀。(www.xing528.com)

一般润滑良好的闭式齿轮中的软齿面齿轮较易发生齿面点蚀。

（3）齿面磨损

轮齿在啮合过程中存在相对滑动，使齿面间产生摩擦磨损。若金属微粒、沙粒、灰尘等进入轮齿间，将引起磨粒磨损。磨损将破坏轮齿面的渐开线齿形，并使侧隙增大而引起冲击和振动。严重时，甚至因齿厚减薄过多而折断。

磨损是开式齿轮传动主要失效形式。提高齿面硬度，降低齿面磨损度，采用清洁的润滑油或采用闭式齿轮传动，均可有效减轻齿面磨损。

（4）齿面胶合

在高速重载的齿轮传动（如航空发动机减速器的主传动齿轮）中，当啮合区的瞬时温度过高时，润滑油黏度下降，润滑油膜破裂，导致齿面间金属直接接触，啮合压力作用下使局部齿面金属互相粘连继而又由于相对滑动，粘连处金属被撕脱下来，进而在较软的齿面上沿相对滑动方向出现条状沟痕，这种现象称为胶合，如图8.4 所示。传动时，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。低速重载下的重型齿轮传动，由于齿面间油膜破坏，也会出现胶合（称为冷胶合）。胶合的产生改变了齿廓形状，使轮齿不能正常工作。

在实际中，采用减少相对滑动速度、提高齿面硬度、降低齿面粗糙度、控制油温、加强润滑、采用抗胶合能力强的润滑油、适当增加油液黏度等措施，均可有效防止或减轻胶合的产生。

（5）齿面塑性变形

塑性变形可分为滚压塑变和锤击塑变。滚压塑变是在低速、重载及启动频繁的软齿面传动中，由于过大的压力作用、轮齿材料处于屈服状态，轮齿表层材料将沿着摩擦力方向产生塑性流动所发生的塑性变形。材料塑性变形的方向和齿面上所受摩擦力方向一致，在主动轮的轮齿上，摩擦力方向背离节线，而从动轮上受到的摩擦力方向指向节线，导致主动轮齿面节线处出现凹沟，从动轮齿面节线处出现凸棱（见图8.5），锤击塑变是伴随过大的冲击而产生的塑性变形。其主要特征是在齿面上出现浅的沟槽，且沟槽的方向与啮合轮齿的接触线一致。

齿面的塑性变形使齿形被破坏，影响齿轮的正常啮合。提高齿面硬度，采用高黏度的或加有极压添加剂的润滑油均有助于减缓或防止轮齿塑性变形的产生。

图8.4　齿面胶合

图8.5　齿面塑性变形