齿轮失效分析

《零件失效分析》课程应用研究进展报告

题目：齿轮失效分析—齿面点蚀

姓名: 魏亚雄学号：0903014113

学院(系):材料科学与工程学院

专业: 金属材料工程

叶云

指导教师：

评阅人：

2012年11月28日

齿轮失效分析——齿面点蚀

材料科学与工程学院金属材料工程09030141班

指导教师：叶云

一、目录

1.前言 (3)

2.齿轮传动的失效形式 (3)

3.齿面点蚀机理分析 (3)

4.影响齿面点蚀的因素 (4)

5.预防 (5)

6.结语 (5)

二、摘要

本文首先对中国现在齿轮的应用现状做了简要叙述，通过对齿轮失效形式的分类，简要对齿面磨粒磨损、齿面点蚀、齿面胶合、塑性变形和轮齿折断进行了定义。通过对齿轮齿面点蚀机理和齿面点蚀影响因素做了详细分析，并对齿轮失效的预防做了简述，对现实具有很重要的指导意义。

三、正文

1.前言

齿轮传动是现代机械传动中广泛采用的主要运动形式之一。做为最常见的机械传动零件，它优点很多应用广泛。但是，齿轮传动也存在其固有的缺点：不能缓和冲击作用。[1]当制造、安装和使用过程中出现不当情况往往会引起较大的振动、噪声，甚至发生断裂等失效故障，据统计，在各种机械故障中，齿轮失效占总数的60％以上。[2]因此，为了保证机器安全正常地运转，有必要详细分析齿轮失效原因。采取相应的措施。保证齿轮在预定寿命内正常工作。

2.齿轮传动失效形式

影响齿轮失效的原因很多。如设计选材、材料添加剂、毛坯加工工艺及齿轮的安装、调整、润滑和故障诊断、维护使用环节的各种失误都有可能导致齿轮失效。以下是齿轮失效的基本类别和特征。

齿轮失效一般发生在齿面，很少发生在其它部位。按照齿轮在工作中发生的故障的基本形式可以把齿轮失效划分为齿面磨损和轮齿折断两大类。齿面磨损是指齿轮在啮合工程中由于表面材料不断摩擦而消耗的过程，按照损伤的机理可以把齿轮损伤划分为齿面磨粒磨损、齿面点蚀、齿面胶合和塑性变形。[3]

2.1齿面磨粒磨损

齿面磨粒磨损常发生于开式齿轮齿轮传动中，由于如沙石、金属铁屑及外界其它物质进入啮合区并在齿轮副的啮合挤压作用下沿齿轮运动方向移动，因此磨痕走向一般并行于运动方向，整个齿面均匀磨损，沿滑动方向，磨痕呈重叠特征。

2.2齿面点蚀

齿面点蚀常出现在润滑比较良好的闭式软齿面传动中，一般在靠近齿根部位出现点状小坑。

2.3齿面胶合

胶合是互相啮合的齿面发生严重的粘着磨损损伤。

2.4 塑性变形

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。当齿面的工作应力超过材料的屈服极限时，齿面产生塑性流动，从而引起主动轮齿面节线处产生凹槽，从动轮出现凸脊。

2.5轮齿折断

由于齿面受到冲击载荷或者短时间过载。突然折断，尤其见于脆性材料齿轮。轮齿折断会造成传动失效。

3. 齿面点蚀机理分析

3.1 裂纹的形成机理[4]

柔性传动装置大齿轮齿面产生点蚀的部位在节圆附近的下齿面上，这是因为在齿轮节圆附近啮合时，基本上只有一对齿轮在啮合，齿面接触应力较大；而且此时接触点之间相对速度很小，油膜也不易形成，润滑情况不好。所以齿轮齿面处于过高的交变接触应力多次反复

作用中，当齿轮齿面硬度偏低或齿面啮合不良时，必然会在齿轮齿面上产生若干小裂纹。3.2裂纹的扩张和脱落机理

在润滑良好的齿轮传动中，疲劳点蚀的形成不仅与初始裂纹的形成方向有关，而且还与能否使具有方向性的裂缝形成密闭的高压油腔有关。当润滑油浸人齿面裂缝后，若相对滚动如下图(a)所示，右行时，充满润滑油的裂缝首先被向右滚动的圆柱体封住缝口而具有形成高压油腔的条件，加之正压力作用下齿面弹性变形的缘故，进一步地碾压将使封闭油腔中的油压越来越高。在高压油的作用下，就使得裂纹尾端每啮合一次就扩张一次，于是裂缝上方的悬臂越来越长，悬臂体所承受的弯矩也越来越大。当裂缝悬臂承受的弯曲应力超过悬臂材料所能允许承受的应力时，悬臂便发生断裂而形成小坑，即产生齿面点蚀现象。但若相对滚动如图3(b)所示右行时，微裂缝中的润滑油则会被挤出而不能形成高压油腔，因而裂缝不易扩张。[5]

4.影响齿面点蚀的因素

4.1齿轮材料选择的影响

我们在机械零件产品的设计与制造过程中．不仅要考虑材料的性能能够适应零件的工作条件，使零件经久耐用．而且要求材料有较好的加工工艺性能和经济性，以便提高零件的生产率，降低成本，减少消耗。齿轮常用的材料为锻钢、铸钢、铸铁，以及非金属材料。[6]

(1)一般先考虑材料的使用性能应满足零件的使用要求。使用性能包括力学性能、物理性能和化学性能，在保证使用性能的基础上，选材时要根据零件的实际工作条件和失效形式，正确地判断所要求的主要性能，再根据主要的使用性能指标来选择较为合理的材料。

(2)其次考虑材料的工艺性应满足加工要求。工作条件的要求是选择齿轮材料时首先应考虑的因素．合金钢常用于制作高速、重载并在冲击载荷下工作的齿轮。如用于飞机的齿轮，要满足质量小、传递功率大和可靠性高的要求，因此必须选择力学性能高的合金钢。

(3)最后应充分考虑经济性。据资料统计，在一般的工业部门中，材料的价格要占产品价格的30％一70％。因此，在保证使用性能的前提下，应尽可能选用价廉、货源充足、加工方便、总成本低的材料，以取得最大的经济效益，增强产品在市场上的竞争力。

4.2热处理工艺的影响[7]

机械齿轮的承载能力不仅取决于表面硬度，还取决于表层向芯部过渡区的剪应力与剪切

强度的比值，它不能大于0.55。深层渗碳淬火是这种齿轮硬化处理最理想的方法，它可以得到高的芯部硬度，较小的过渡区残余拉应力和充足的硬化层深度。齿面含碳量一般控制在0.8%—1%为宜，由齿表面到芯部的硬度梯度要缓和。渗碳齿轮经过淬火和回火，表面硬度应达到HRC58—62，要消除齿轮特别是表层的残余内应力。热处理后，尚需进行油浴人工时效处理。

4.3表面强化处理

对齿面和齿根进行喷丸强化处理，通常是齿轮加工的最后一道工序，可在渗碳淬火或磨齿后进行。它能使齿轮的接触疲劳强度提高30%—50%，使齿根弯曲疲劳强度得到改善；能有效阻止裂纹扩展，使实际载荷比外加载荷小得多；能有效抵抗破坏性冲击，减少点蚀，增大耐久极限。根据国外经验，齿轮喷丸比不喷丸寿命可提高6倍。[8]

4.4齿轮加工方法引起的影响

机加工滚齿时，粗、精滚工序要分开，先用滚刀进行粗切，再用专用滚刀进行精滚齿，保持滚刀精度，用百分表控制切齿深度，切齿深度误差应控制在零位附近，精滚齿滚刀的齿形误差应不大于0.03mm。齿形加工一般要达到9级精度。齿面粗糙度必须达到设计要求，可在磨齿后，进行电抛光或振动抛光，提高表面粗糙度，粗糙度好的齿轮的寿命比粗糙度差的可提高15%—20%。

采用齿面修形、齿形修缘和挖根大圆弧（大圆弧齿根）新技术（包括倒角、磨光、修圆），能消除或减轻啮合干涉和偏载，提高齿轮的承载能力，使齿根应力集中降低，齿轮的弹性柔度增大。[9]

4.5润滑剂的影响[10]

齿轮传动的润滑方式，主要取决于齿轮圆周速度的大小。对于速度较低的齿轮传动或开式齿轮传动，采用定期人工加润滑油或润滑脂。对于闭式齿轮传动，当齿轮圆周速度v<12m

／s时，采用大齿轮浸入油池中进行浸油润滑；当v>12m／s时，为了避免搅油损失，常采用喷油润滑。与无润滑相比，良好的润滑可以提高传动部件的使用寿命：淬火件的寿命可提高20％，非淬火件的寿命可提高200％。

5. 预防[11]

5.1提高齿轮安装精度。

5.2改进设备结构。

5.3根据实际情况选择齿轮油。

5.4减少传动副周期性冲击、振动，加强日常维护和检修。

6. 结语

通过对齿轮失效形式的分类介绍，并详细介绍了齿面点蚀的产生机理和影响齿面点蚀的因素的分析（包括材料、热处理、表面强化、加工方法、润滑剂），我们在以后的工作中，能够及时地发现问题，并且能够根据已经掌物的知识去解决问题，防患于未然．对减少损失起到很大的作用。