洪振
中国航发哈尔滨东安发动机有限公司，黑龙江省哈尔滨市150066
摘要：齿轮是机械装置的重要基础部件。随着应用需求的变化，它正朝着高功率密度、高可靠性和长寿命的方向快速发展。在高接触应力的使用条件下，受复杂因素影响的啮合齿面呈现出多种损伤形式。在同一应用中，有多种失效模式，如热胶合、点蚀、微点蚀、深层剥落和齿面断裂等。对于高线速度、大滑差的重载传动齿轮，热胶合尤为重要。特别是在工程机械、航空航天、轨道交通、电动汽车等领域，热涂胶故障对传动装置和整机的可靠运行有着重要的影响。
关键词：齿轮；热胶合；接触温度；失效边界；润滑设计；
针对工程机械、航空航天、轨道交通、电动汽车等驱动装置变速、变扭矩的使用特点，阐述了齿轮传动热粘合失效的损伤机理，构建了热粘合影响耦合因素的关联式。分析了传动扭矩、齿轮转速、油液粘度、润滑油温度变化等常见设计要素对齿面接触温度的影响，形成了相应的提高热粘接承载能力的设计思路。
一、损伤机理
热胶合是两啮合齿面在干摩擦接触或混合润滑状态下，由于摩擦升温形成焊合与撕裂而造成的材料损失。在啮合过程中，由于过高的接触压力和相对滑动速度，促使齿面的接触温度瞬时升高，此时，隔离两啮合齿面的润滑油膜破裂，金属活性也会逐渐增大，在较大接触载荷的作用下，两接触齿面即会形成微观尺寸级别上的金属焊合，伴随着两啮合齿面持续的相对滚滑运动，局部焊合金属会被无规则地撕裂，从而造成齿面材料的脱落。热胶合虽然在一定条件下会瞬时产生，但也存在着一个渐进发展的过程，如图1所示，会沿齿廓、齿向两个方向不断扩展。
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热胶合与传统意义上的疲劳损伤有着本质的不同，疲劳损伤存在着裂纹起源、扩展、失稳断裂的一个渐进过程，发展周期较长，而热胶合则是由于局部失效造成有效接触面积的减少，促使其剩余齿面接触应力进一步增大，从而形成热胶合面积的快速扩展，相对来说发展过程较短。在热胶合产生后，传动齿轮副的振动噪声和功率损耗会显著增大，同时，热胶合损伤沿相对滑动方向具有明显的方向性，从图1中可以看到，撕裂痕在热胶合整个形成与发展过程中具有沿齿廓方向呈现的特性。
二、齿面瞬时啮合温度
齿面瞬时啮合温度是促使齿面发生热胶合破坏的最主要因素之一。在啮合传动过程中，由于高压载荷的作用，润滑油会产生黏性剪切和压缩摩擦，所形成的热量会促使齿面温度瞬间升高，并对润滑油膜产生较大影响。在高温高压下，一旦油膜厚度不能完全把两啮合齿面隔开，即会造成两接触齿面间金属的直接焊合，从而形成热胶合失效。因此，对于变速变扭齿轮传动，瞬时啮合温度在齿轮参数设计和油液特性选择方面具有重要意义。关于齿面瞬时啮合温度的计算，目前主要有热弹流理论和Block方法，热弹流理论是由热弹流润滑雷诺方程推导得，Block方法则是基于赫兹接触、滑差分布、热量分配由试验测试拟合修正得到的。
渐开线圆柱齿轮传动的瞬时啮合温度为
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式中，角标i=1、2，1表示小齿轮，2表示大齿轮；ni为小齿轮/大齿轮的转速；dwi为小齿轮/大齿轮的节圆直径；αwt为小齿轮与大齿轮啮合的节圆压力角；dYi为小齿轮/大齿轮在啮合点Y处的直径；dbi为小齿轮/大齿轮的基圆直径。
三、齿面接触温度分析
1.齿面啮合状况，在传递转矩为2 500 N·m和齿轮转速为2 500 r/min的运行条件下，经计算分析，试验齿轮副的齿面应力、滑动比与摩擦热沿齿廓的分布如图2所示。从图2（a）中可以看到，由于单双齿啮合区的存在，接触齿面在转变点存在着载荷跳跃，单齿啮合区存在着明显较大的接触载荷，但结合滑动比和摩擦热在图2（b）和图2（c）中沿齿廓的分布可以发现，由于节点附近啮合齿轮副的滑动比较小（在节点处为纯滚动），在较大法向载荷的作用下节点处的摩擦热仍然相对最小，而由于在齿廓根部两啮合齿面的相对滑差较大，却以此处产生的摩擦热为最大。在其他运行工况下，齿面应力、滑动比与摩擦热沿齿廓的分布规律与此类同，受传递转矩、齿轮转速、油液黏度与润滑温度的影响，仅具体数值有一定差异。
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2.传递转矩的影响，传递转矩直接影响齿面接触载荷的大小，传递转矩越大，两啮合齿面的挤压作用也就越明显，在高接触应力下，摩擦生热现象更为严重。在齿轮转速为定值2 500 r/min的条件下，随着传递转矩的增大，齿面接触温度不断升高；在传递转矩从2 000 N·m提高到2 250 N·m（提高12.50%）的情况下，齿面最大接触温度由186℃增大到203℃，提高了9.14%；在传递转矩从2 250 N·m提高到2 500 N·m（提高11.11%）的情况下，齿面最大接触温度又由203℃增大到220℃，提高了8.34%。由式（2）与式（3）可知，传递转矩不但对齿面啮合残留温升θM'有直接影响，对局部赫兹接触应力pdyn,Y、平均摩擦因数μm、载荷损耗系数HV、齿顶修缘系数XCa等也有一定影响，作用机理相对比较复杂，但结合算例分析，从齿面最大接触温度计算的角度考虑，基本符合线性递增的规律。在工程应用中，需根据传递转矩设计合理的中心距与工作净齿宽，通过齿面最大接触载荷的控制，以保证传动齿轮在变速变扭工况下具有足够的抗热胶合承载能力。
3.齿轮转速的影响。齿轮转速决定两啮合齿面间相对切向滑动速度的大小，相对切向滑动速度又与油膜形成的卷吸速度和单位时间内生成的热量直接相关。高的卷吸速度有利于润滑油膜的建立，但如果短时生成的大量热不能及时带走，又会促使齿面接触温度的快速升高，所以，转速对传动齿轮副的影响具有正反两个方面。
总之，对于变速变扭齿轮传动，在润滑设计时，应根据运行状况合理选择油液黏度，并配合适当的冷却装置控制油液温度，以避免极端工况短时出现导致的热胶合失效。
参考文献：
［1］赵强，变速变扭高承载齿轮传动胶合失效边界.2019.
［2］吴鹏.关于变速变扭高承载齿轮传动胶合失效边界研究.2020.