河南商丘工学院机械工程学院 张锦秋 476000
摘要：齿轮传动是目前应用最为广泛的传动形式之一,在航空、航天、轮船、汽车、农业、化工等领域的传动系统中都起着至关重要的作用。随着齿轮传动朝着高转速和精密化方向的发展,便对齿轮的使役性能提出了越来越高的要求。随之而来的是齿轮的失效也越来越多，而齿轮在传动过程中，失效的位置则主要集中在轮齿的地方。轮齿折断、齿面磨损、齿面点蚀、齿面胶合、塑性变形以及齿面剥落等齿轮轮齿失效形式广泛存在于各类齿轮传动中,危害着设备运行的稳定性和可靠性,严重时还会引起生产安全事故,造成经济损失。因此,开展对齿轮轮齿不同形式失效分析与对应解决措施,对保障齿轮传动运行的稳定性和可靠性具有十分重要的理论意义和工程使用价值。本文主要工作内容有：①齿轮轮齿失效的种类有哪几种类型。②传动齿轮轮齿的轮齿折断、齿面磨损、齿面点蚀、齿面胶合、塑性变形以及齿面剥落其对应的产生原因。③轮齿折断、齿面磨损、齿面点蚀、齿面胶合、塑性变形和齿面剥落的对应解决措施。本文的理论分析与对策可以在一定程度方面上有效的预防齿轮失效,增加齿轮设备的使用寿命,节省设备维护维修费用提供一定的参考价值。
关键词: 齿轮轮齿;制造流程;失效形式;解决措施
轮齿折断是齿轮的一种非常严重的失效形式，它可以细分为过载折断、疲劳折断和随机折断[1-4]。
1.过载折断
当齿轮工作当中受到忽然的一次或者多次严重过载的时候，致使齿轮轮齿所受到的应力超过其极限应力,齿轮的轮齿就可能因为过载而折断。当齿轮轮齿发生过载断裂，一般为短期过载。轮齿发生过载折断时，过载而折断的齿轮断口一般都集中在齿轮根部,其断面一般呈放射状或人字级花样的放射区,放射方向与裂纹扩展延伸方向近乎平行,放射中心即为断裂源,断口呈现壳纹疲劳线，折断的断口一般比较平直，并且带有很粗糙的特征。铸铁齿轮易发生过载断裂。
2.疲劳折断
齿轮在频繁高速往复载荷转动的过程中，齿根处弯曲应力最大且应力集中,而当超过疲劳极限时,齿轮齿根圆角处便易产生疲劳裂纹。随着工作时间和循环往复的次数增多,裂纹逐渐扩展并加深,最终会导致轮齿疲劳断裂。
3.齿面疲劳点蚀
齿轮的齿面点蚀一般发生在闭式齿轮传动器械中，而由于开式齿轮传动的器械，因为齿轮齿面磨损一般比较快速，即正常情况齿面点蚀来不及发生。齿轮在工作时,其啮合表面上任一点所产生的接触应力是按脉动循环变化的。齿面接触应力超过材料的接触极限应力时,齿面表层会产生细微的疲劳裂纹,裂纹的扩展使表层金属微粒剥落下来而形成一些小坑,俗称点蚀麻坑即为齿轮齿面疲劳点蚀。
齿轮的齿面疲劳点蚀可分为早期齿面点蚀和破坏性齿面点蚀两种小的类型：①早期齿面点蚀一般在轮齿齿面反应情况为有数不多且小麻点，产生的原因为：齿轮的啮合接触齿面部分位置载荷应力过大超出设计载荷范围、齿轮齿形制造误差或设计失误、齿轮的齿面粗糙度较大和轴线偏斜等，相应的对策为提高齿轮的设计与制造精度和工作之前进行细致跑合处理。②破坏性齿面点蚀出现的位置正常情况下在靠近轮齿的节线的齿根附近表面，且表现特征为麻点会随着齿轮工作而不断向齿根四周扩散，噪音渐渐变大，应对或解决对策为提高轮齿齿面硬度或采用硬度较高的材料制造齿轮、提高润滑油润滑效果和改善齿轮齿面的粗糙度。
齿面疲劳点蚀的产生与润滑油的粘度和齿轮的齿面相对滑动有莫大的关系，当相对滑动速度较高，粘度较大的时候，齿轮与齿轮的齿面之间极易产生油膜，齿轮的齿面有效接触面积较大，相应的接接触应力就小了，齿轮疲劳点蚀就不易产生。不过齿轮的节线处，齿面的相对滑动速度较低，产生油膜的内在条件较差，尤其像直齿圆柱齿轮传动，此时仅仅有一对齿轮啮合，齿轮齿面受到的应力也比较大，所以此处极易产生齿面疲劳点蚀。对实际的齿轮疲劳点蚀研究发现，齿面的点蚀常常第一时间在齿轮节线的齿根面上处产生，紧接着会向齿面的其它部位扩散。因而从另个角度上来看，齿轮抵抗齿面疲劳点蚀能力最薄弱的地方是越靠近齿轮节线处的齿根面。齿面疲劳点蚀会使齿面减少承载面积,引起冲击和噪音、严重时轮齿会折断当点蚀面积如超过齿高、齿宽的60%时,应更换新零件。
4.齿面塑性变形
当制造齿轮材料刚性较差时，若作用在齿轮轮齿上的载荷所产生的应力超出了其材料的屈服极限后，此时就会导致齿轮产生塑性变形(即当齿轮受到较大的冲击载荷后，将会导致质地较软的接触齿面出现压痕；而当此时润滑不足就会导致接触齿面产生较大的摩擦阻力，从动齿轮接触齿面的金属就极易可能发生沿着其转动方向塑性流动导致节线处凸起，而主动轮的轮齿节线处金属流动与其转动方向相反并产生下凹现象，如下图所表述。)，齿轮的塑性变形且为永久变形，齿面塑性变形主要出现在低速重载、频繁启动和过载的场合，从而引起主动轮齿面节线处产生凹槽,从动轮出现凸脊。此失效多发生在非硬面轮齿上,齿轮的齿形严重变形特别是左右不对称时应更换新件。
齿面的塑性变形可进一步细分为碾击塑变、起脊、鳞皱、齿体塑变四类：①碾击塑变是齿轮的轮齿受到滚碾冲击过载，齿面润滑较差，且齿轮的制造材料硬度较低或者是轮齿齿面硬度过低，将会导致齿轮的齿顶棱、齿端出现飞边以及齿轮的节线部位出现沟槽和脊棱表现，应对措施是提高齿轮的润滑系统、制造和安装精度以及齿面硬度，减小齿面接触应力和动载荷。②起脊经常发生在重动载荷的涡杆传动、准双曲线齿轮、高接触应力和低速滑动齿轮以及润滑不良的齿轮之中，会使齿轮的整个齿面上沿齿轮相对滑动方向产生明显的像脊梁一样的脊棱，应对方法可以提高齿轮的齿面材料硬度或用硬度较高的材料制造齿轮以及改善润滑系统；③磷皱是因齿轮的润滑系统较差及齿轮的接触齿面产生过高的压强齿轮的齿面金属出现塑性流动所致，低速的振动的齿轮也会导致齿面金属塑性流动，应对措施，提高齿轮转速和齿面硬度、改善润滑系统以及控制齿轮传动过程中的振动；④齿体整体塑变产生原因是因润滑油失效引起的轮齿接触面急剧升温使齿轮热塑变形，动载荷超出设计范围产生的冷塑变形，对待热塑塑性变形应对措施因保持充足的润滑油和提高润滑油粘度，而对冷齿面变形应对措施为提高齿轮的抗屈服强度。
综上所述避免齿轮出现塑性变形的发生，可以采用的措施有：①适当的提高齿轮轮齿的钢度；②采用黏稠度较高的润滑油润滑齿轮；③采用带有极压添加剂的润滑油。
5.结论
针对齿轮在传动过程中产生的轮齿折断、齿面损伤两个大的轮齿失效形式，通过查阅大量各种与齿轮有关文献和书籍，综合总结分析其相应的产生原因与其解决措施，折断是齿轮轮齿失效形式中的非常严重的一种，并且会对机械的工作造成严重的影响，齿轮轮齿的轻则致使机械停工重则导致整个机械报废或者诱发其它伴随的严重事故的发生。产生原因主要是齿轮的受到忽然的过载冲击、高速频繁往复载荷传动以及其它不可控因素造成的。解决措施可以适当提高齿轮刚度、增加齿轮模数以及尽量不采用铸铁件等。
参考文献
[1]王丽捐，黄清世,邹雯.齿轮发展研究综述[ J ].机械研究与应用,2008,21(1)17-18
[2]李毅华,栾振辉.国内外传动机械学的现状及发展趋势[ J ].煤矿机械2005,12:8-10
[3]李润方.齿轮传动的刚度分析和修形方法[ M ].重庆:重庆大学出版社,2008.
[4]常山.齿轮动态设计分析研究的现状及展望[ J ].热能动力工程,2012,16(91):6-10
作者简介：张锦秋（1996-），男，本科在读，就读于商丘工学院机械设计制造及其自动化专业。