传动齿轮的失效统计分析及防止失效措施

孙 琳

（西安大方实业总公司，陕西 西安 710054）

1 引言

齿轮传动是现代机械设备中应用最广泛的一种机械传动，它可以传递空间任意两轴间的运动和动力， 特别是渐开线圆柱齿轮，自1765年欧拉（L.Euler）研制出并广泛应用，已有200 多年的历史。 目前， 齿轮传动技术的指标可达到： 传动功率P=105KW， 圆周速度V=300m/S， 转速n=105r/min， 齿轮直径d=0.001～33m，单级传动比可达8 以上，传动效率达0.98～0.995。 由于齿轮传动承载能力大，效率高，传动比准确，结构紧凑，工作可靠，使用寿命长，因此应用十分广泛。

2 齿轮失效

2.1 齿轮失效的产生

当机械零件丧失其应有的功能时，则称为该零件失效。 在传动装置中，齿轮失效约占失效总数的60%左右。齿轮的失效主要是轮齿的失效，这是因为：齿轮传动是依靠主动轮的轮齿齿廓推动从动轮的轮齿齿廓进行工作。 齿轮其他部分（如：轮缘、轮辐、轮毂）一般只按经验公式进行结构设计，强度和刚度均较富余，所以不必考虑失效问题。

2.2 齿轮失效的统计分析

表1 我国某厂关于1 000 起齿轮失效类型和原因统计

表1 是我国某齿轮厂发生的1 000 起齿轮失效分析事例的统计分析，对所有失效事例按失效类型及失效原因做了统计。 从失效类型上来看，断裂失效最多（61.2%），其次是表面接触疲劳（20.3%），磨损（13.2%），塑性变形最少（5.3%）。从表中可见，弯曲疲劳断裂和表面接触疲劳共占53%， 说明齿轮的疲劳问题是齿轮失效最重要的问题。 另外，从失效原因来看，大多数失效与使用有关（74.7%）。 使用因素中最主要的是连续过载（25%）和安装不当 （21.2%）， 热处理不当次之 （16.2%）， 再次之是设计错误（6.9%），制造缺陷（1.4%）和材质缺陷（0.8%）。

2.3 齿轮失效形式的分类

齿轮失效分为齿轮磨损和齿轮损伤（包括轮齿折断、齿面点蚀、齿面胶合、塑性变形）。 齿轮磨损是指在啮合传动过程中，轮齿接触表面的材料出现摩擦损耗现象。 齿轮的损伤是指齿轮的材料在材质、尺寸、精度、表面状态等基本要素的某一方面或若干方面，在工艺过程或（和）使用过程中所遭受的内外伤。 齿轮损伤量的积累达到某一界限， 即丧失了对其规定的某种功能。齿轮损伤的影响因素很多，包括选材、设计计算、毛坯制造、机械加工、热处理、安装调整、使用维护等。 齿轮承载能力的极限值主要取决于材质、表面状态、圆周速度、润滑条件、传动方式、齿轮种类以及轮齿参数等。

3 防止齿轮失效的措施

3.1 合理的选材

轮齿材料需要具有强度高、韧性好、耐磨性好等优良综合机械性能，同时要具有良好的加工性能和良好的热处理性能。 常用齿轮材料有锻钢、铸钢、铸铁和非金属材料。

3.2 确定设计准则

齿轮首先要满足传动能力，必须要进行承载能力的计算。 计算方式有：①齿根弯曲强度计算（断齿）；②齿面接触强度计算（点蚀）；③抗胶合强度计算（软齿面、重载）；④抗磨损强度计算（开式齿轮传动）。

根据齿轮的失效形式，确立相应的设计准则。 目前进行齿轮传动设计计算时， 通常按齿面接触疲劳强度计算和齿根弯曲疲劳强度计算。 对于高速、大功率的齿轮传动，闭式软齿面的齿轮传动还应进行抗胶合计算和齿面抗磨损计算。 由于对于磨损、塑性变形等的设计计算至今尚未建立完善的计算方法， 只能进行弯曲疲劳强度计算， 并将模数加大10%～20%来考虑磨损的影响。

3.3 合理的设计、加工、热处理工艺、润滑、防护

（1）轮齿折断。 对于材质较脆的灰铸铁或淬火钢齿轮，在传动中当轮齿受到短期过载或过大的冲击载荷时， 在弯曲应力作用下轮齿突然折断。 防止措施：增大齿根过渡圆角半径，降低表面粗糙度，减轻加工损伤，采用表面强化处理等都可以提高轮齿的抗疲劳折断能力。

（2）齿面磨粒磨损。 对于开式齿轮传动，由于金属微粒、灰尘、污物等进入齿轮工作表面，在齿轮运转时，使齿面材料逐渐磨损，使齿廓失去正确形状，由此产生冲击、噪音。 严重磨损时，轮齿变薄，致使轮齿折断。防止措施：提高齿面硬度，降低表面粗糙度，注意润滑油的清洁和定期更换，降低滑动系数是减轻和防止磨粒磨损的主要措施，还应注意环境清洁，减少磨粒侵入。

（3）齿面疲劳点蚀。 对于闭式软齿面齿轮传动，由于接触交变应力的反复作用，在节线附近靠近齿根部分的齿面上，会产生若干小裂纹。封闭在裂纹中的润滑油在压力的作用下，产生楔挤作用，使裂纹不断扩展，最后导致表层金属微粒脱落，形成点蚀。如若麻点继续扩展，连成一片，将使齿廓表面破坏，产生振动和噪音，加速磨损而失效。防止措施：提高齿面硬度和润滑油粘度，降低齿面粗糙度值，均可提高轮齿抗疲劳点蚀的能力。

（4）齿面胶合。 对于高速重载的齿轮传动，因滑动速度高而产生的瞬时高温会使油膜破裂，造成齿面间的粘焊现象。 粘焊处被撕脱后，轮齿表面沿滑动方向形成沟痕，即齿面胶合。 发生胶合后，齿廓被破坏，并引起强烈磨损和发热。防止措施：减小模数和齿高，以降低齿面间的相对滑动速度，选用抗胶合性能好的齿轮材料，采用良好的润滑剂，提高齿面硬度和降低表面粗糙度值等，均可减缓和防止齿面产生胶合。

4 结语

齿轮传动是现代机械设备中应用最广泛的一种机械传动，而在齿轮传动装置中，齿轮失效占传动装置失效的60%以上。所以防止或减缓齿轮的失效对提高传动效率、 经济效益以及防止因此而造成经济损失和事故都具有重要的意义。

[1]程志红.机械设计[M].东南大学出版社，2006，3.

[2]丁洪生.机械设计基础[M].机械工业出版社，2008，9.

[3]张展.齿轮传动的失效及其对策[M].机械工业出版社，2011，8.