传动系统中齿轮的常见失效形态和诊断

齿轮传动可以在有限的空间内，实现任意两轴之间运动和动力的传递，具有工作可靠、传动效率高、瞬时传动比恒定、使用寿命长等优点。根据不同分类方法，齿轮可分为以下几类：

表1齿轮的常见分类

表2 常见齿轮示意

若齿轮设计时精度选择不当、材料和热处理不良或工作润滑不足等，齿轮可能出现失效。齿轮精度等级主要影响加工误差，从而影响载荷的正常分布。但过高的精度会导致成本过高。日本JIS B 1702标准将齿轮划分为9个等级精度，其中4级为最高精度级，12级为最低精度级。设计时，可以通过行业需要、强度校核、成本核算等来选择合适的精度。米思米公司对于不同应用场景的齿轮均有较好的解决方案，如直齿轮、斜齿轮、锥齿轮、螺旋齿轮、齿条、齿轮组、齿轮箱等，并有丰富的尺寸系列、精度等级、多种热处理、表面处理可供选择，为您提供高品质、低成本、短交期的服务。具体可访问网址：查看详情

齿轮常见的失效分为齿轮轴失效、辐板失效和轮齿失效，其中前两种失效情况一般由应力破坏、疲劳破坏、共振破坏等因素造成，而轮齿失效又可根据失效形态分为五种情况。

失效形态1：轮齿折断

表现：轮齿的整体或局部从齿轮断裂分离或脱落，常见为齿根折断。

影响：轮齿折断是最为严重的失效形式，断齿常常会在离心力的作用下造成传动瞬时卡滞或破坏机匣，造成设备停机，必须避免。

诊断：轮齿在工作过程中承受啮合力，其中齿根部分承受的弯曲应力最大，而且齿根圆角常常有应力集中。当瞬时冲击载荷超过额定载荷时，可能会造成过载折断；当受到的交变应力超过材料的弯曲疲劳极限且不断重复时，在齿根受拉的一侧就会产生疲劳裂纹，最终发生疲劳折断。

对策：设计齿轮时，应对齿根弯曲疲劳强度进行校核。通常的，可以通过增大模数、增大齿根圆角半径、齿面强化处理等方式进行改善。

图1 轮齿折断

失效形态2：齿面点蚀

表现：齿面在啮合过程中会受到交变接触应力，若因此产生的疲劳裂纹扩展为金属脱落而形成麻点状凹坑即为疲劳点蚀。

影响：点蚀发生后，传动系统振动加大、噪声明显，以至于齿轮不能正常工作而使传动失效。

诊断：点蚀一般发生在闭式软齿面齿轮箱中，因为齿面硬度越高，抗点蚀能力则越强，在开式齿轮箱中，由于润滑较差，齿面磨损较快，裂纹还未扩展就被磨掉，因此较少有点蚀现象。

对策：为避免齿面点蚀，应进行齿面接触疲劳校核，一般可以通过提高齿面硬度、加大分度圆直径、合理选用润滑油等进行改善。

图2 齿面点蚀

失效形态3：齿面磨损

表现：齿面磨损又称微粒磨损，表现为齿面产生磨损进而轮齿变薄。

影响：齿面磨损使得齿廓形状破坏，从而引起冲击、振动、噪声等问题，若不及时进行检修，将最终导致齿厚减薄带来的轮齿折断。

诊断：根据工作条件的不同，会出现不同的磨损形式，如金属屑、砂粒等硬质颗粒进入啮合位置破坏齿面等。齿面磨损时开式齿轮的主要失效形式。

对策：一般通过提高齿面硬度、提高润滑清洁度等进行改善，或直接改为闭式齿轮传动。

图3 齿面磨损

失效形态4：齿面胶合

表现：相啮合的两齿面材料粘结在一起，从而一齿面上部分材料胶合到另一齿面上，齿面胶合是高速重载齿轮的主要失效形式。

影响：胶合的多余材料很容易造成其他齿面的擦伤沟痕，形成恶性循环，最终导致传动失效。

诊断：齿面胶合一般分为热胶合与冷胶合。高速重载传动时，由于压力大、速度高，使得啮合处瞬时温度过高，致使齿面金属粘连撕脱，此为热胶合。低速重载传动时，由于齿面间油膜直接被过大的接触压力压溃而产生胶合，此为冷胶合。

对策：为避免齿面胶合，应进行抗胶合承载能力校核。通常的，可以通过减小模数、提高齿面硬度、降低接触粗糙度、采用齿廓修形等进行改善。

图4 齿面胶合

失效形态5：塑性变形

表现：轮齿永久变形。当突然过载，较大的冲击载荷可能会引起轮齿偏移；当载荷过大将油膜破坏时，摩擦力加剧，齿面接触应力大于材料的抗剪强度，齿面材料沿摩擦力方向进行流动，发生变形。

影响：轮齿的塑性变形破坏了齿轮正确的啮合位置及啮合轮廓，严重时，变形的金属充满顶隙，引起剧烈振动，甚至发生断裂。

诊断： 一般发生在软齿面、低速重载的传动中。主动轮形成凹沟，从动轮形成凸棱。

对策：通常的，可通过提高齿面硬度和润滑油黏度进行改善。

图5 塑性变形

综上，在设计齿轮时，可以根据齿轮分类和常见的失效形式对轮齿强度进行校核：

表3 齿轮分类和校核原则

特别的，对于高速重载的或强度裕度较小的工况，除应考虑正常工作载荷，还应考虑启动载荷、剪断保护载荷、冲击载荷等非正常载荷来对轮齿进行强度校核，也应该关注齿轮轴、辐板的静强度及疲劳强度。对于噪声、振动、可靠性要求较高的工况，还应通过齿轮磨齿、齿廓修形、齿轮动平衡等方式提高传动精度，在齿轮装配时，还应进行安装距、齿轮侧隙、齿轮印痕的调整来保证良好的工作状态。在后期设备的维护中，也应注意齿轮箱的润滑及清洁情况，提高寿命。