齿轮失效的因素及影响分析

高 强

（重庆工贸职业技术学院，重庆 408000）

在机械工程中，齿轮传动应用甚为广泛，齿轮传动是机械传动中一种重要的传动方式，并且往往处于极为重要的部位，因此齿轮的损伤和失效倍受人们的关注。

1 结构特性及工作状况

齿轮传动具有传递动力大、效率高，使用寿命比较长，工作平稳，能保证恒定的传动比，能传递成任意夹角的两轴见得运动等优点。齿轮传动适用范围很广、传递功率从很小到数万千瓦；齿轮直径从小于1 m m到10 m；传动比的范围也很大。所以，齿轮传动得到广泛的应用。按齿轮传动的工作条件可以分为闭式齿轮传动、开式齿轮传动和半开式齿轮传动。闭式传动封闭在箱壳内保证良好润滑。开式传动是外漏的，不能保证良好的润滑。

齿轮工作条件很复杂。在不同的工作条件下使用的齿轮造成的特征是不同的。根据齿轮的工作特点，在传递功率和运动过程中、齿轮在力的作用下、在齿根产生弯曲应力，齿面产生接触应力，齿面间相对滑动摩擦而产生磨损。有时齿间存在间隙，在齿合过程中还会产生冲击，齿轮的主要失效特征是由于弯曲力矩作用而造成齿的变形和折断，由于接触应力作用而造成的表面疲劳剥落和由于摩擦作用而造成的磨损，由于齿轮工作时所受载荷和转速不同，对于不同材料会造成不同的失效形式。

2 齿轮的失效形式

（1）齿面磨损。齿轮啮合传动时，两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。严重的磨损将使齿面渐开线齿形失真，齿侧间隙增大，从而产生冲击和噪音，甚至发生齿轮折断。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。

（2）轮齿折断。最常见的是弯曲疲劳折断、过载折断。轮齿受力后,在齿根部产生的弯曲应力最大,且在齿根过渡圆角处有应力集中。如果轮齿的交变应力超过了材料的疲劳极限,在齿根圆角处将产生疲劳裂纹,随着裂纹不断扩展。

（3）齿面点蚀。齿轮传动过程中，齿轮接触面上各点的接触应力呈脉动循环变化，经过一段时间后，会由于接触面上金属的疲劳而形成细小的疲劳裂纹，裂纹的扩展造成金属剥落，形成点蚀。

（4）齿面啮合。轮齿的啮合是由于齿面上不平的峰谷在接触时产生局部高压，使其熔焊在一起，而后随着齿面上的金属被大量撕脱，工作节线明显暴露出来，正常齿廓被破坏，轮齿就失效了。

（5）齿面塑形变形。塑性变形失效，是指在重载荷作用下表面会屈服所造成的表面变形。它又可以进一步分为压塌和飞边变形、波纹变形和沟条变形。

3 其他因素对失效的影响

（1）材料对齿轮的失效影响。齿轮的齿面应具有较高的耐磨损、抗点蚀、抗啮合及抗塑性变形的能力，而齿根要有较高的抗折断的能力。因此，对轮齿材料性能的基本要求为：齿面要硬、齿芯要韧。①锻钢。钢材的韧性好，耐冲击，还可以通过热处理或化学热处理改善其力学性能及提高齿面硬度，故最适应于用来制造齿轮。除尺寸过大（d a＞400～600 m m）或者是结构形状复杂只宜铸造者外，一般都用锻钢制造齿轮，常用的是含碳量在0.15%～0.6%的碳钢或合金钢。②铸钢。铸钢的耐磨性及强度均较好，但应经退火及正火处理，必要时也可进行调质。铸钢常用于尺寸较大的齿轮。③铸铁。灰铸铁性质较脆，抗冲击及耐磨性都较差，但抗啮合及抗点蚀的能力较好。灰铸铁齿轮常用于工作平稳、速度较低、功率不大的场合。④非金属材料。对高速轻载及精度不高的齿轮传动，为了降低噪声，常用非金属材料（如夹布胶木、尼龙等）做小齿轮，大齿轮仍用钢或铸铁制造。为使大齿轮具有足够的抗磨损及抗点蚀的能力，齿面的硬度应为250～350 H B S。

（2）润滑油在不同环境下对齿轮失效的影响。①温度。温度下降时，润滑油会变稠。温度上升时，则会变稀。因此在低温条件下需要低粘度的润滑油，而在高温条件下则需要厚重的油以防止金属与金属之间的干摩擦。②速度。滑动和转动的速度越快，齿轮间挤进润滑剂的时间就越少。同时在高速运作下润滑油更易结块变厚。因此，低速用高粘度（稠油），高速用低粘度油（稀油）。③负荷（压力）。高粘度油比稀油更能抵御重负并防止金属与金属之间的碰撞。因此，轻负荷需要低粘度的润滑油，高负荷需要高粘度的润滑油。④击负荷。例如由引擎发出的律动力，这就需要比较厚重的油以防油膜的瞬间碎裂而产生的边界润滑，因为只有极少的润滑油可留下。在这种情况下，需要一种含有极压添加剂（EP）的润滑油。

（3）设计方面的错误对齿轮失效的影响。齿轮装置的设计，技术上要求较高，并且要有一定的经验。①载荷。对作用在轮齿上载荷估计不足轮齿上所受的载荷一般可分三部分，即名义载荷，可视为齿轮传递的名义功率。②刚性。外部动载荷它取决于原动机、从动机的特性、轴和联轴器系统的质量、刚度能及运行状态。③内部动载荷。这是由于齿轮本身制造误差、轮齿刚度等因素产生的载荷。通常精确确定轮齿上的载荷是非常困难的较好的办法是进行实测或对传动系统进行全面分析。但是，这种复杂的方法不是处处可以采用的，因此在齿轮设计中，对载荷估计不足是常见的。④结构。齿轮装置结构的设计不合理例如轴承安装方式或安装位置不合适，轴或齿轮箱的刚度太差，密封不可靠等，都可能使轮齿失效。⑤材料。材料选用不合适齿轮材料种类、牌号应根据齿轮的具体使用条件来选定；特别是大小齿轮不同材料的匹配，更值得设计者注意，否则容易引起齿轮失效。⑥润滑系统。润滑系统设计有误齿轮装置的润滑方法、润滑油性能和油量等如果处理不好，可能使齿面产生啮合、过热和过度磨损等失效。

4 齿轮材料的合理选择

（1）满足材料的机械性能。材料的机械性能包括强度、硬度、塑性及韧性等，反映材料在使用过程中所表现出来的特性。齿轮在啮合时齿面接触处有接触应力，齿根部有最大弯曲应力，可能产生齿面或齿体强度失效。齿面各点都有相对滑动，会产生磨损。齿轮主要的失效形式有齿面点蚀、齿面啮合、齿面塑性变形和轮齿折断等。因此要求齿轮材料有高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度，齿面要有足够的硬度和耐磨性，芯部要有一定的强度和韧性。

（2）满足材料的工艺性能。材料的工艺性能是指材料本身能够适应各种加工工艺要求的能力。齿轮的制造要经过锻造、切削加工和热处理等几种加工，因此选材时要对材料的工艺性能加以注意。一般来说，碳钢的锻造、切削加工等工艺性能较好，其机械性能可以满足一般工作条件的要求。但强度不够高，淬透性较差。而合金钢淬透性好、强度高，但锻造、切削加工性能较差。我们可以通过改变工艺规程、热处理方法等途经来改善材料的工艺性能。

（3）材料的经济性要求。所谓经济性是指最小的耗费取得最大的经济效益。在满足使用性能的前提下，选用齿轮材料还应注意尽量降低零件的总成本。

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