齿轮轮齿的失效形式

§3-8齿轮轮齿的失效形式失效的定义：齿轮在传动过程中，发生轮齿折断、齿面磨损等现象，从而失去其正常工作的能力，这种现象称为齿轮轮齿的失效形式。齿轮轮齿失效的原因：由于齿轮的工作条件和应用范围各不相同，影响失效的原因很多。1、就其工作条件来说，有闭式、开式之分；2、就其使用情况来说，有低速、高速及轻载和重载之分。3、齿轮的材料性能、热处理工艺的不同，以及齿轮结构的尺寸大小和加工精度等级的差别，均会使齿轮传动出现多种不同的失效形式。常见的轮齿失效形式有五种：一、齿面点蚀轮齿工作时，当齿面接触应力超过材料的接触疲劳极限时，在载荷的多次重复作用下，齿面的表层会产生细微的疲劳裂纹。如果裂缝内渗入了润滑油，在另一齿轮的挤压下，封闭在裂缝内的油压会急剧升高，加速裂纹的扩展，最终导致表面上小金属的剥落，形成小坑。这种现象称为疲劳点蚀（简称点蚀）。实践表明，点蚀多发生在靠近节线的齿根表面处，如图1所示：图1齿面点蚀出现点蚀的场合：齿面点蚀是在润滑良好的闭式齿轮传动中轮齿失效的主要形式之一。在开式齿轮传动中，由于齿轮磨损较快，点蚀还来不及出现或扩展，即被磨掉，所以一般看不到点蚀现象。出现点蚀的后果：点蚀使轮齿工作表面损坏，造成传动不平稳和产生噪音，轮齿啮合情况会逐渐恶化而报废。防止点蚀发生的方法：齿面抗点蚀的能力主要与齿面硬度有关，提高齿面硬度、减小齿面的表面粗糙度值和增大润滑油的黏度有利于防止点蚀。二、齿面磨损齿轮在传动过程中，轮齿不仅受到载荷的作用，而且接触的两齿面间有相对滑动，使齿面发生磨损，如图2。图2齿面磨损齿面磨损的速度符合预定的设计期限，则视为正常磨损。正常磨损的表面很光亮，没有明显的痕迹，在规定的磨损量内，并不影响齿轮的正常工作。但齿面磨损严重时，渐开线齿廓被损坏，使齿侧间隙增大而引起传动不平稳，产生冲击和噪声，甚至会因齿厚过度磨薄发生轮齿折断。产生齿面磨损的主要原因：1、齿轮在传动过程中，工作齿面间有相对滑动。2、齿面不干净，有金属微粒、尘埃、污物等进入轮齿啮合区域，引起磨料性磨损。3、润滑不好。齿面磨损是润滑条件不好、易受灰尘及有害物质侵袭的开式齿轮传动的主要失效形式之一。减少齿面磨损的措施：1、尽可能采用润滑条件良好的闭式传动。2、同时提高齿面硬度3、减小齿轮表面粗糙度值三、齿面胶合定义：在重载传动中，齿轮副两齿轮工作齿面发生金属表面直接接触而形成“焊接”的现象，称为齿面胶合。产生原因：（1）高速重载的闭式齿轮传动中，由于散热不好，导致润滑油油温升高，黏度降低，易于从两齿面接触处被挤出来，使工作齿面间的润滑油膜破坏。（2）低速重载的齿轮传动中，由于工作齿面之间压力很大，润滑油膜不易形成。传动中，由于靠近节线的齿顶表面处相对速度大，因此胶合常发生在该部位。图3齿面胶合防止胶合产生的方法：（1）对于低速传动，可采用黏度大的润滑油。（2）对于高速传动，则可采用硫化润滑油，使其较牢固地吸附在齿面上而不易被挤掉。（3）提高齿面的硬度和减小齿轮表面的粗糙度，以及两齿轮选择不同材料均可减少胶合的发生。四、轮齿折断齿轮轮齿在传递动力时，相当于一根悬臂梁。在齿根处受到的弯曲应力最大，且在齿根的过渡圆角处具有较大的应力集中，传递载荷时，轮齿在交变载荷的不断作用下，在轮齿根部的应力集中便会产生疲劳裂纹。随着重复次数的增加，裂纹逐渐扩展，直至轮齿折断。这种折断称为“疲劳折断”。如图4。此外，用脆性较大的材料（如铸铁、淬火钢等）制成的齿轮，由于材料在受到短时过载或过大的冲击载荷时，常会引起轮齿的突然折断。这种折断称为“过载折断”。图4防止轮齿折断的措施：（1）选择适当的模数和齿宽，保证齿轮的强度。（2）采用合适的材料和热处理方法。（3）减小齿根处的应力集中，齿根圆角不宜过小；轮齿表面粗糙度值要小；使齿根危险截面处的最大弯曲应力值不超过材料的许用应力值。五、齿面塑性变形若齿轮材质较软，轮齿表面硬度不高，当工作于低速重载和频繁启动情况下，在较大的载荷和摩擦力的作用下，可能使齿面表层金属沿相对滑动方向发生局部的塑性流动，出现齿面塑性变形。主动轮1上所受的摩擦力背离节线指向齿顶和齿根，产生塑性变形时在齿面沿节线处形成凹沟；从动轮上所受摩擦力则分别由齿顶和齿根指向节线产生塑性变形时在齿面沿节线处形成凸棱。如图5所示。塑性变形严重时，在齿顶边缘处会出现飞边（主动轮上更容易出现）图5齿面的塑性变形破坏了齿廓的形状，导致齿轮轮齿失效。提高齿面硬度和采用黏度较高的润滑油，有利于防止或减轻齿面的塑性变形。小结：常见轮齿的失效形式：1、齿面点蚀2、齿面磨损3、齿面胶合4、轮齿折断5、齿面塑性变形作业：P72习题19