齿轮传动中轮齿的失效分析及对策论文

时间:2018-07-06 编辑:颖东 手机版

  论文摘要:本文根据齿轮传动的工作特点,探讨了齿轮的轮齿折断、齿面磨损、齿面点蚀、齿面胶合、齿面塑性变形失效形式及原因,并基于失效原因的分析提出了一些应对措施。

  论文关键词:轮齿失效,点蚀,塑性变形,胶合

  0引言

  齿轮传动是机械传动中最主要的一种传动形式。具有工作可靠、使用寿命长、传动效率高、结构紧凑、瞬时传动比为常数等一系列特点,但由于设计、制造或使用不当等原因,齿轮传动在工作过程中经常会发生失效。通常有齿轮的轮齿折断、工作齿面磨损、疲劳点蚀、齿面胶合及塑性变形等,任何一种失效都将导致齿轮传动非正常工作。本文将针对齿轮传动的上述失效形式逐一进行探讨,分析其失效原因并提出相应的解决措施。

  1轮齿折断

  轮齿折断可分为疲劳折断、过载折断、和随机折断,通常渐开线直齿圆柱齿轮轮齿的折断为全齿折断,而斜齿轮和锥齿轮轮齿的折断一般是局部折断。

  1。1疲劳折断

  轮齿工作时像一个悬臂梁,受载后在齿根处产生的弯曲应力σ为最大,而且是交变应力。再加之齿根处过渡部分的尺寸变化较大存在应力集中,在反复的弯曲应力作用下,当应力值超过材料的弯曲疲劳极限时,即σ>σ时在轮齿受拉一侧的齿根圆角处产生疲劳裂纹,随着载荷循环次数的增加,裂纹逐渐扩展,使轮齿剩余截面上的应力超过其极限应力,造成瞬时折断。

  导致轮齿发生疲劳折断的原因很多,如在设计时对实际载荷估计不足、齿轮材料选择不当、未能保证加工质量、精度等,为防止轮齿工作时发生疲劳折断,在进行齿轮设计、加工、安装时,必须优选齿轮参数、提高齿根表面光洁度、增大齿根圆角半径并调整齿根圆角过渡区,消除该处的加工刀痕一价低齿根的应力集中;增大轴及支承物的刚度以减轻齿面局部过载的程度;应正确选择齿轮副材料,进行适当

  的热处理,以获得较好的显微组织;对齿轮进

  行喷丸、碾压等冷作处理以提高齿面硬度、保持芯部的韧性。

  1。2过载折断

  齿轮在工作过程中有严重过载或冲击载荷的作用或者在制造安装过程中,精度差,齿轮局部受载或受较大的冲击时,均可能产生过载折断。轮齿受到大载冲击或严重磨损而齿厚变薄时也会发生折断现象。如斜齿圆柱齿轮传动中,轮齿工作面上的接触线为一斜线,轮齿受载后,如有集中载荷时,就会发生局部折断;此外若制造或安装不良或轴的刚性不够而弯曲变形过大时,将导致轮齿局部过载,也会发生轮齿局部折断。如,某机车电动机悬挂装置主动齿轮断裂,在齿根断裂区发现在毛坯锻造过程中形成的闭合孔洞及夹杂物,严重削弱了该区强度而导致断裂。过载折断往往不同于疲劳折断,其特点是断口位置不固定,断面粗糙。

  为防止轮齿过载折断的发生,在进行传动设计时,应充分考虑引起严重过载的各种因素,采用适当的安全装置,如安全联轴器等;安装时应保证有足够的接触精度;运转中应防止较大硬物落入啮合,以免造成冲击载荷,此外,对齿轮制造过程进行必要的质量控制,如对齿根部进行微裂纹探伤等,也可有减少轮齿发生过载折断的可能性。此外,齿轮在加工制造过程中,应严格保证工艺要求,尽量避免应力集中。

  2齿面磨损

  磨损是在啮合传动过程中,由于啮合齿面间存在着相对滑动、轮齿接触表面上的材料发生摩擦损耗的现象。无论齿面硬度多高,在齿轮工作后其齿面都会有所磨损。而磨料性物质的进入(如砂粒、铁屑等)则无疑是加剧齿面磨损的直接原因。避免轮齿过度磨损的最有效方法是以闭式传动代替半开式或开式传动。但是不论是闭式、半开式,还是开式传动,适当的表面处理,如渗碳淬火、调质(正火)高频表面淬火等都有助于提高齿面硬度及耐磨性。

  磨损根据其机理和特征的不同,有轻微磨损、中等磨损、过度磨损、磨粒磨损和腐蚀磨损。轻微磨损较缓慢、均匀,磨损后齿面平滑光亮。产生轻微磨损的原因有接触齿面的粗糙度与润滑油粘度、工作载荷之间不匹配、齿面工作速度等,这些原因使齿面间润滑油膜厚度不够,导致齿面微凸体峰部被磨平或塑性压平,在齿轮磨光后,可采用粘度较大的润滑油形成合适的油膜厚度就不影响齿轮的寿命和性能。中等磨损时轮齿节线上下齿面的材料有移失,在节线位置上呈现出一条接近连续的线,因齿轮受工作速度、载荷、温度、润滑剂和润滑因素的限制,只能在边界润滑或接近边界润滑状态下工作所致,可通过改善润滑条件、增加油膜厚度来防止中等磨损的发生。过度磨损时轮齿工作齿面材料被磨削,齿厚明显减薄,齿廓形状被破坏,齿轮寿命降低,过度磨损是由于润滑系统和密封装置不良或失效,系统有严重振动、冲击等因素所引起,可采用合适的密封形式和润滑装置,也可提高工作速度,减轻振动载荷,改变齿轮的几何参数、材质、精度、齿面粗糙度等。磨粒磨损表现为轮齿接触表面上沿滑动方向有较均匀的条痕,这是由于磨料物落入啮合齿面间而引起的磨损,可适当提高齿面硬度和光洁度、降低齿面间滑动率、正确选择润滑方式、保持润滑油清洁等措施减少磨粒磨损。腐蚀磨损时的轮齿齿面呈均匀分布的腐蚀麻坑,工作齿面沿滑动方向伴有磨蚀痕迹,引起腐蚀磨损的原因是润滑剂中的活性成分与轮齿材料发生了化学和电化学反应。由于摩擦或冲刷作用,蚀斑被磨蚀或冲掉,形成腐蚀磨损,要防止腐蚀磨损,就必须对腐蚀介质进行控制,在润滑油中可添加适量的阻蚀剂,以降低电极反应速度,齿轮装置应有良好的密封形式,以防机内润滑油被外界的水、酸及其他有害物质污染

  3齿面点蚀

  点蚀是闭式齿轮传动常见的失效形式,在齿轮试验及机器检修时,在齿面上能看到麻点和凹坑,对于渗碳碎火的硬齿面,可以看到一些霜状纹班块或出现大块金属剥落。这是轮齿轮齿进入啮合时,轮齿齿面接触处在法向力的作用下将产生很大的接触应力,脱离啮合后接触应力即消失。对齿廓工作面某一固定点来说,它受到的是近似于脉动变化的接触应力。如果接触应力σ>σ齿面上出现不规则的细微的疲劳裂纹,随着裂纹的蔓延、扩展而导致齿面表层上的金属微粒脱落,形成麻点状的凹坑。常首先出现在靠近节线的齿根面上。这是因为,轮齿靠近节线的齿根面接触疲劳强度低,加之啮合处相对滑动速度低,润滑油膜不易形成,摩擦力较大的原因。基于上述原因,为防止过早出现点蚀,可采用提高齿面硬度、增大润滑油的粘度、降低表面粗糙度值减缓点蚀,延长齿轮寿命。但是对速度低的齿轮传动,宜用粘度高一些的润滑油为宜;但对速度较高的齿轮传动(如圆周速度v>12m/s),应用喷油润滑,故宜用粘度低的润滑油。

  4齿面胶合

  在高速重载的齿轮传动中,由于啮合齿面间的压力较大,相对滑动速度较高,发热量大,产生瞬时高温使润滑油膜破裂,齿面直接接触,产生干摩擦或半干摩擦,而这种摩擦将进一步提升温度,从而在齿面局部产生固有熔焊粘附,继而沿滑动方向撕裂,形成两齿面间表层材料的转移,这种齿面损伤形式称为齿面胶合。它有冷胶合和热胶合两种,在低速重载软齿面齿轮传动之中,由于齿面局部压力较大,有可能使润滑油膜失效,造成齿面金属直接接触并产生塑性变形,接触表面的金属分子相互扩散和局部再结晶而产生局部焊合粘连。当切向滑动时粘结点被撕开,形成冷胶合。当在高速重载的齿轮传动中,齿面温度较高,啮合齿间的润滑油膜由于高温和高压的作用而被破坏,造成齿面金属接触点的熔焊和撕裂。齿面较软的被撕开形成沟槽,较硬的齿面粘附被撕膜的金属附着物,形成热胶合。

  防止或减轻齿面胶合的主要措施:

  (1)采用角度变位齿轮传动一降低啮合开始和终了时的滑动系数;

  (2)减小模数和齿高一降低滑动速度

  (3)采用极压润滑油;

  (4)选用抗胶合性能好的齿轮副材料;

  (5)材料相同时,使大、小齿轮保持适当硬度差

  (6)提高齿面硬度和降低表面粗糙度值等。特别是重载高速传动齿轮设计时,除了要使轮齿具有足够的弯曲强度和接触强度外,还应当保证齿面具有一定的抗胶合承载能力,也就是说,在传动齿轮设计时,应当以峰值载荷校核齿轮胶合承载能力,而不是平均荷载。同时,应采取切实措施(如喷油润滑),在保证良好润滑的同时控制啮合区温度。

  5齿面塑性流动

  齿面较软的齿轮,重载时可能在摩擦力作用下产生齿面塑性流动,从而破坏正确齿形。由于在主动轮齿面的节线两侧,齿顶和齿根的摩擦力方向相背,因此在节线附近形成凹槽;从动轮则相反,由于摩擦力方向相对,因此在节线附近形成凸脊。这种损坏常发生在低速、频繁启动和过载传动中。

  适当提高齿面硬度,采用粘度较大的润滑油,可以减轻或防止齿面塑性流动。降低齿面粗糙度,适当选配主、从动齿轮的材料及硬度,进行适当的跑合等也可防止产生齿面塑性流动。此外,还可采用室温油分级等温淬火工艺,获得奥—贝球铁组织。奥—贝球铁组织具有高强度、高延伸率和高冲击值的良好机械性能,具有很高的弯曲疲劳强度和良好的耐磨性能。这一工艺已在泰山—120型小四轮拖拉机最终传动大齿轮得到应用,运行6个月后,未发生断齿及崩碎,齿面无裂纹、点蚀。

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