齿轮缺陷简介

.,齿轮失效分析,齿轮失效形式的分类,.,.,齿面点蚀,定义：齿面上变化的接触应力如超过了疲劳极限，在表面层将产生疲劳裂纹，裂纹的扩展使表面层小块金属剥落，形成小坑，这种失效现象称为点蚀,局部点蚀：因为齿面有刀痕和微起伏，在啮合时，齿面接触不良，如果局部接触应力过大就要产生点蚀。齿面经充分跑合后，齿面的承载面积增加，齿面应力降低，齿面接触应力降到极限值以下，点蚀就停止了，这种点蚀称为“局限性点蚀”或者“初始点蚀”。,扩展性点蚀：如果齿面硬度较高，齿面不易跑合，或齿面接触应力较高，则点蚀继续扩展并不停止，在靠近节线的齿根部位点蚀越来越严重，小坑的面积和深度加大，在齿面上所占的范围扩展，在后期，点蚀扩展速度更快，有时甚至整个齿面布满小坑，小坑还可能连成一片，这种点蚀称为“扩展性点蚀”或“破坏性点蚀”tips：一般点蚀占齿宽和齿高的60%以上时，齿轮应立即报废。在出现局限性点蚀时，如发现某些小坑的面积显著的大，且主动齿轮齿根有被磨亮的情况，则预示可能出现扩展性点蚀。,片蚀：对于表面渗碳淬火齿轮，因齿面疲劳裂纹常发生于淬硬层与心部交接处，于是当裂纹扩展后，齿面金属成片剥落，与点蚀的外观不同。tips：片蚀比点蚀的范围小，但较深。片蚀多出现于齿顶部分。,.,点蚀特点总结,根据使用中对齿轮的观察和对齿轮及圆辊的试验结果，把点蚀的特点大致归纳如下：,1、点蚀是由齿面或者齿面以下很浅处的疲劳裂纹扩展所致。疲劳裂纹与齿面的接触应力和摩擦力有关。,2、点蚀是表面层的局部金属剥落，形成的一个蚀坑。剥落层的厚度一般在1525左右，直径可由小于1mm到2mm。,3、出现点蚀的必要条件是有充分的液体润滑剂。,4、点蚀发生于被追越表面，在齿轮上绝大多数发生于齿根靠近节线附近的部位。,5、当有严重研磨磨损时，点蚀即停止发展或不出现。,6、点蚀最早发生于齿面工作条件最恶劣的部位（如局部齿廓误差、齿面粗糙、严重偏载等等）,.,影响点蚀的主要因素,1、工作情况和载荷性质齿轮传动并不全是连续运转，工作停歇对齿面接触疲劳强度是有利的，工作停歇使润滑油得到冷却而不利于接触疲劳裂纹的扩展。有的试验表明，齿面硬度HB350的钢制齿轮，短期重复工作条件下的齿面抗点蚀能力，比连续运转可提高11.8倍，HB350时为11.3倍。原理：先加一低载应力能提高疲劳强度，这是因为金属受到“锻炼”得到强化的结果。多晶体的金属都有组织不均匀性和晶粒的各向不同性。如果齿面应力超过某些晶粒的屈服极限，则这些斤产生塑性变形，最弱晶粒的塑性变形更严重。塑性变形轻微的晶粒得到强化，塑性变化剧烈的晶粒产生裂纹，当损伤的进展速度超过强化的进展速度，则发生疲劳损坏，反之齿面得到适当强化。,2、齿面摩擦和相对运动根据点蚀机理（后续介绍）可知，摩擦力增大，将降低齿面的抗点蚀能力。摩擦力的方向影响接触疲劳裂纹的方向和是否扩展。摩擦系数随滑动速度变化，于是齿面的抗点蚀疲劳强度就与滑动速度有关。,.,3、润滑润滑对齿面点蚀的影响包括润滑油种、粘度、油量及供油方法等。一般来说，在半液体和边界润滑状态，粘度增加可使摩擦系数减小，于是摩擦力降低而接触应力减少，同时，油不易渗入裂缝，所以表面点蚀不易产生。粘度增加，还可以充填粗糙度表面上低洼处，使齿面接触承压区加大而降低了接触应力。粘度高的油还可以缓和冲击震动，降低附加动载荷。应用高粘度的油在实际中往往受到限制，例如，在冷却状态下启动齿轮、齿轮搅油、齿轮挤油的功率损失随粘度增高而增加，粘度高的油不易布满齿面等等。油量的多少与供油方法有关，对于浴油和喷油两种供油方法进行对比试验，喷油的润滑效果比浴油好，但抗点蚀能力比浴油差11%20%左右，但对于高速齿轮，为了保证充分的供油量，则必须采用喷油法。,4、齿轮材料和齿面硬度（1）材料种类、牌号和机械性质不同，其接触疲劳强度也不同，主要取决于化学成分和金相组织。（2）提高齿面硬度可以增加齿面抗点蚀能力。（3）根据实验表明，不同材料其表面硬度虽相同，但是接触疲劳强度却不同，也就是材料化学成分不同，齿面强度也不同。（4）相啮合齿面的硬度配对关系也影响着齿面的接触疲劳强度。一对相啮合的齿面必须有硬度差，即小齿轮齿面硬度应高于大齿轮齿面硬度。,.,5、齿面光洁度和加工精度齿轮的加工方法不同，齿轮精度和齿面光洁度也不同。齿面的刀痕或磨痕使齿面的接触面积减小和形成齿面的应力集中。造成实际接触应力的增大。齿面越粗糙越容易出现点蚀。若齿面的微起伏，在齿轮运转过程中始终比较大，则对扩展性点蚀有促进作用。提高齿面光洁度和加工及安装精度，虽然齿面的抗点蚀能力提高，但是很不经济。所以在确定最经济的光洁度和精度后，可以用跑合的方式提高表面光洁度和接触精度，具体方法有：干跑合、跑合剂跑合、电火花跑合、化学跑合等等。,6、齿轮传动的啮合几何参数及齿形为了减小单位接触线长度上的载荷，可以增加接触线的总长度，即增加重迭系数。例如常采用变位齿轮传动，利用大的高变位，可以得到节点位于两组齿啮合区的齿轮传动，其接触应力比未变位的约降低1.4倍左右。斜齿轮利用高变位还可以得到节点在啮合线工作段之外的传动。由于极易发生点蚀的节点部位不处于工作区，所以齿面抗点蚀能力可大大提高。用大压力角的齿形也可以提高齿面接触疲劳强度。,.,齿面胶合,胶合的齿面上有人眼可见的节瘤、峰岗、刮痕或沟槽等，并且一个齿轮的齿面的金属焊粘到另一个与之啮合的齿面上，齿面常有变色外观。,关于胶合程度的分类：（1）齿面没有破坏性的擦伤；（2）齿面有人眼不易看清的沿滑动方向的擦痕；（3）齿面有人眼可见的细的但不深的初始括道；（4）齿面有相邻较近的较长的扩展性括道；（5）中等程度的刮痕，较宽但不很深；（6）强烈的刮痕，宽而深的沟道，这些沟道连成一片；（7）严重的刮痕，齿面出现节瘤和沟槽，齿面呈现熔化现象。,胶合失效,.,齿面由正常润滑发展到齿面胶合的三个阶段：1、齿面间的润滑状态由液体动压润滑变为边界润滑，这个阶段齿面间的油膜厚度减低，但未发生胶合。2、由边界润滑变为金属接触。边界油膜的破裂是由于接触齿面发生大的塑性变形或者温度很高。3、两齿面材料发生焊粘，出现明显胶合。,产生胶合的条件：1、齿面间的接触液体动压油膜厚度降低到临界值一下，并且出现边界摩擦；2、边界润滑油膜破裂发生金属直接接触；3、产生纯金属齿面间的熔焊固着，齿面相对滑动造成一齿面的金属转移至与之啮合的另一齿面。,造成油膜破裂的原因有：1、齿上载荷或局部载荷过大；2、齿面瞬时温度过高；3、选用了不合适的润滑油（如粘度、油性等）；4、不适宜的润滑方法（如给油量不足，供油方式不好）；5、齿面滑动速度过高；6、齿面的光洁度不合适。,.,影响胶合失效的主要因素,影响胶合的因素有很多，目前有些因素的规律性还很不清楚，下面简单介绍一些主要影响因素。,1、传动形式和啮合几何渐开线螺旋圆柱齿轮的滑动速度很大，并且相对滑动速度是沿齿的长度方向，更不利于油膜的形成。再加它又是点接触，接触压力很大，容易破坏油膜，容易发生胶合。直齿和斜齿的圆柱或圆锥齿轮传动，齿面相对滑动速度方向垂直于接触线，且于混动速度方向重合，有利于油膜的形成，发生胶合的可能性小。内啮合圆柱齿轮传动，因为两齿面为凹凸啮合，特别有利于形成油膜，出现胶合的可能性更小。模数m愈大，齿顶的相对滑动愈大，容易出现胶合。齿顶修缘提高齿面抗胶合能力（因为修缘可以减小基节误差和补偿轮齿变形，因而使同时受载的齿数增多）斜齿轮的螺旋角愈大，抗胶合的能力愈低，这与滑动速度增大有关。,.,2、载荷情况,.,3、速度齿轮的转速或圆周速度增高时，齿面的滑动速度和滚动速度都增大。滚动速度愈大，齿面间形成油膜的条件愈好，油膜愈厚，齿面就愈不易直接接触；相反地滑动速度增加则摩擦热增加，从而降低了油的粘度和油膜厚度，油膜容易破裂。如何能够取得最优值，仍在试验研究中。,4、润滑5、材料和热处理6、温度7、齿面光洁度47条阐述过于复杂，不为大家作详细介绍了。,.,齿轮折断,过载折断：大多是操作不当，齿轮传动的设计不佳，齿轮加工装配工艺及材料质量不能满足要求等等原因造成的。,疲劳折断：齿轮在变载荷的作用的折断机理是我们这章主要介绍方向。,机理：变载荷下载材料内部是同时存在着强化和弱化这一对矛盾的，他们之间一直在斗争和转化。强化的晶粒当由于相邻晶粒的作用或畸变产生的缺陷作用，在一定应力值下也会出现弱化。当应力稍低于或稍高于疲劳极限而应力循环次数少时，强化占压倒优势，成为矛盾的主要方面，这是材料不会发生疲劳损坏。在受外载荷时，最弱晶粒的最弱部分首先出现滑移而得到强化，但经过多次反向塑性变形后，塑性耗尽，变化应力继续作用下，开始松动而弱化，产生了局部的微观裂纹。简单介绍疲劳破坏分为三个阶段：第一阶段，晶粒内部的强化和弱化的选择和争斗；第二阶段，裂纹的发生，发展和衔接；第三阶段，突然断裂。,.,齿轮断裂的断面外观,疲劳破断面有着特殊的外观，破断面一般分为两个部分：1、疲劳断面部分这一部分是呈现较细晶粒的外观，甚至有的是瓷状结构面或磨光面。2、静强度破断部分对于软钢和塑性好的材料是一种纤维状结构，而对硬钢（经淬火处理的中碳或合金钢）以及铸铁等，则是一种粗晶粒表面。当应力超过疲劳极限不多时，疲劳裂缝发展较慢，并且在静强度破断之前，齿根经受多次变应力，疲劳部分被长时间的压缩和磨损，此部分就更近于磨光表面。如果应力超过疲劳极限很多，裂纹就扩展的较快，应力循环次数不多就出现静强度破断，于是疲劳破断部分就来不及经充分压缩和磨损，这样在外观结构上两个部分的区别就比较不明显。根据这种区别就可以概括地估计应力的超载情况。疲劳破断部分的表面还有阶梯层状的外观。这是因为疲劳裂纹在扩展上有选择性的原因。当应力超过疲劳极限不多时，疲劳裂纹从一个局部弱金属部分扩展到另一个局部弱金属部分，由于这种选择性的结果，疲劳破断部分的表面就出现不平坦而类似阶梯形的层状外观。由于裂纹表面的挤压磨损，最早形成的疲劳破断部分的表面阶梯被磨挤，此处较平坦，接近静强度破断部分的后期疲劳破断部分的阶梯层状较明显。,.,影响齿轮弯曲疲劳折断的主要因素,1、载荷情况齿轮间的载荷分配、齿上沿接触线的载荷集中、附加动载荷、载荷数值和载荷作用点等全都影响着齿根危险断面的弯矩、应力的分布及数值。齿轮是单侧受载（单向弯曲），还是双侧依次受载（双向弯曲）对弯曲疲劳强度影响很大。对于硬齿面，根据实验结果，如单侧受载的弯曲疲劳承载能力为1，则中间齿轮为2/3，反复正反转的齿轮为2/37/8。,2、齿形和啮合几何模数大的齿轮由于齿根变厚，它的抗弯强度比模数小的齿轮抗弯强度高，但从整个齿轮和传动来看，模数大的齿轮减小了重迭系数，使分配到每个齿上的载荷和附加动载荷增加，增大了齿根的应力。一般齿宽加大可以增加危险断面的尺寸，降低齿根应力，但是齿宽过大，由于传动系统各零件的变形、制造和安装的误差等等所产生的偏载现象更为严重。斜齿轮的螺旋角对弯曲强度也有增强作用，试验表明螺旋角小于25时，斜齿的弯曲强度比直齿至少提高30%左右。但螺旋角过大造成轴向力很大，造成齿轮的不利变形，同时还降低了端面重迭系数，此外螺旋角太大，齿的加工精度不易保证，载荷集中也趋于显著，一般螺旋角不大于30。,.,3、材料和强化处理方法各国根据本国情况除了广泛采用碳钢以外，为了提高齿轮传动的工作能力，还采用了不同的合金钢，多用Ni，Cr，Mo的三元素低合金钢。