图4 5 轮齿折断
齿轮在使用时, 工作面一侧受拉应力, 非工作 面一侧受压应力。把齿轮轮齿简化成一悬臂梁的力 学模型, 不难看出齿根部位是危险的截面。轮齿的 折断有 2 种情况: 由多次重复的弯曲应力和应力 集中造成的疲劳折断; 短时过载或冲击载荷产生 的过载折断。折断均起始于轮齿受拉应力一侧, 齿 宽较小的直齿圆柱齿轮、齿根裂纹一般是从齿根沿 着横向扩展, 发生全齿折断。从断齿断面可判断, 该轮齿的失效为 疲劳断裂, 发生的也 正是全齿折 断。
齿轮在传动动力时, 两工作齿面理论上是线接 触, 实际上因齿面的弹性变形而会形成很小的面接 触。由于接触面积很小, 所以产生很大的接触应力。 传动过程中, 齿面间的接触应力从零增加到最大值, 又由最大值降到零, 当接触应力的循环次数超过某 一限度时, 工作齿面便会产生微小的疲劳裂纹。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 表面层上小块金属的剥落, 形成小坑( 见图 1 所 示) 。这种现象称为疲劳点蚀( 简称点蚀) 。实践表面, 点蚀多发生在靠近节线的齿根表面处。
图1 点蚀使齿轮工作表面损坏, 造成传动不平稳和 产生噪声, 齿轮啮合情况会逐渐恶化而报废。 齿面点蚀是在润滑良好的闭式齿轮传动中齿轮 失效的主要形式之一。在开式齿轮传动中, 由于齿面 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。 齿面抗点蚀的能力主要与齿面硬度有关, 提高
变 速箱一挡齿轮发生断齿后的宏观实物见图 5 所示。
图3 为防止产生齿面胶合, 对于低速传动, 可采用黏 度大的润滑油; 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。提高 齿面的硬度和减小齿轮表面粗糙度, 以及两齿轮选 择 不同材料( 亲和力小) 等措施均可减少胶合的发 生。 4 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, 出现齿面的塑性变形。主动轮 上所受的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( 见图 4 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) 。 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23
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温会使较软的齿面金属熔焊在与之相啮合的另一齿 轮的齿面上, 并因相对滑动在较软的工作齿面上形 成与滑动方向一致的撕裂沟痕。传动中, 靠近节线的 齿顶表面处相对速度较大, 因此胶合常发生在该部 位( 见图3 所示) 。齿面发生胶合现象后, 将严重损坏 而失效。
齿面硬度、减小齿面的表面粗糙度值和增大润滑的 黏度有利于防止点蚀。 2 齿面磨损
齿轮在传动过程中, 齿轮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, 见图2 所示。齿面磨损的速度符合预定的设计期限, 则视为正常磨损。正常磨损的齿面很光亮, 没有明显 的痕迹, 有规定的磨损量内, 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齿轮折断。
齿轮在传动过程中, 发生齿轮折断、齿面损坏等 现象, 从而失去其正常工作的能力, 这种现象称为齿 轮齿数的失效。
由于齿轮传动的工 作条件和应用范围各不相 同, 影响失效的原因很多。就其工作条件来说, 有闭 式、开式之分; 就其使用情况来说, 有低俗、高速及轻 载和重载之分。此外, 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。 1 齿面点蚀
摘 要: 齿轮轮齿折断现象, 是机械传动中最容易发生的齿轮损伤形式。文章结合实例, 分析了造成 轮齿折断的原因, 并提出了相应的改进措施, 以避免轮齿断裂的发生。
关键词: 齿轮轮齿; 折断; 改进措施 中图分类号: T H132. 41 文献标识码: B 文章编号: 1006—7981( 2012) 16—0097—02
图2 产生齿面磨损的原因主要有: 齿轮在传动过 程中, 工作齿面间有相对滑动; 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; 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。 为减小齿面磨损, 应尽可能采用润滑条件良好 的闭式传动, 同时, 提高齿面硬度, 减小齿轮面表面 粗糙度值。 3 齿面胶合 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。产生齿面胶合的原因有以下两个: 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。 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。当两工作齿面金属直接接触时, 齿面的瞬时高
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过载折断的原因有 3 种情况: 工作载荷超过 设计载荷而折断; 长期工作, 严重磨损 齿厚度变 薄, 弯曲强度下降而折断; 轮齿严重偏载, 造成局 部受力超出极限应力而折断。
轮齿折断实例分析: 5. 1 汽车变速箱齿轮失效
失效齿轮为载重汽车变速箱一挡齿轮, 由渗碳 钢制造, 在进行台架试验时, 未达到设计要求就发生 断齿现象。
2012 年 8 月 第 16 期 总第 266 期
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齿轮轮齿的失效形式及折断问题的分析
赵华蓉
( 呼和浩特市机械工程职业技 术学校, 内蒙古 呼和浩特 010010)