机械齿轮传动及失效特性分析

机械齿轮传动及失效特性分析

王严斌

身份证号码：32062119881123xxxx江苏南京210012

摘要：随着科技高速发展，电线电缆工业的现代化和用户需求的提高，设备的自动化程度也越来越高。但在电线电缆生产设备中，机械设备部分很多仍以齿轮传动方式作为主要的传动形式，在变速、动力传递等各方面被广泛应用。这是因为齿轮传动具有紧凑的结构、高效可靠的性能和便于维修等特点。

关键词：机械齿轮；传动；失效；特性

1前言

一般来讲，齿轮自身的轮辐、齿圈与轮毂等其他部分的尺寸和结构都是根据以往的使用和工作经验来进行设定并确定的，所以，其承载能力相对来讲比较强，且在实践过程中也基本不会发生设备失效的情况。因此，所谓的齿轮传统失效，其主要指的就是轮齿出现的失效情况。由于影响轮齿失效形式的因素较多，且不同因素相应的处理方案也带有一定的差异，对此，本文以常见的轮齿失效形式为立足点，就其处理方式进行全面研究分析。

2齿轮的常用材料

根据齿轮传动的失效形式可知，设计齿轮传动时，应使齿面有较高的抗点蚀、抗胶合、抗磨损和抗塑性变形能力，而齿根要有较高的抗折断及抗冲击能力。因此，对齿轮材料性能的基本要求：齿面要硬，齿芯要韧，具有良好的加工性和热处理性。齿轮材料对齿轮传动的承载能力有很大影响，正确选择齿轮材料很重要。

2.1钢材。钢材的韧性较好，耐冲击，可以通过热处理改善其力学性能并提高齿面硬度，故最适合制造齿轮。（1）锻钢。一般用锻钢制造齿轮，常用的是含碳量为0.15%~0.6%的碳钢或合金钢。（2）铸钢。尺寸较大的齿轮常用铸钢制造，其毛坯应进行正火处理以消除残余应力和硬度不均匀的现象。

2.2灰铸铁。灰铸铁价格低廉，其铸造性能、减摩性能、抗点蚀和抗胶合性能较好，但其抗弯强度、耐冲击和耐磨性能较差。灰铸铁齿轮常用于轻载、低速、工作平稳的场合，灰铸铁中的石墨具有润滑作用，尤其适用于制造润滑条件较差的开式传动齿轮。球墨铸铁具有较高的力学性能，一定场合下常用来代替铸钢。

2.3塑料。工程塑料一般用于高速、轻载及精度不高的齿轮传动，它可以明显降低噪音。常用工程塑料有尼龙、夹布胶木等，用来制造小齿轮，而大齿轮仍用钢或者铸铁制造。

总之，分析并了解齿轮传动失效的形式，对设计齿轮传动时选择齿轮材料有很重要的意义。

3齿面点蚀

齿面点蚀其主要存在于齿轮表面的马甸，其主要出现的原因为齿轮面劳损引起。齿轮在传动的时候，齿面点蚀表面的接触点应力主要以动脉变化形式出现，齿轮接触一定的应力之后，最近的齿根表现很容易出现裂缝。润滑油会顺势流入产生的裂缝之中，齿轮闭合会造成小裂缝中的润滑油收到挤压，进而会撑大裂缝面积，并最终导致齿面出现小片状的剥落，从而形成一个个麻点形状的凹坑。当齿轮的表面出现齿面点蚀情况后，不仅该齿轮整个传动工作的平稳性会受到影响，其在传动的过程中还会出现噪音和不正常的振动，从而导致其正常工作受到影响，进而破坏其传动工作。

当工作人员将新的齿轮投入到使用时，部分齿轮可以会在使用了较短的一段时间后就出现点蚀情况，这主要是由于选择的新齿轮自身轮齿表面的光滑度没有满足使用要求，这样其传动过程中会沿接触线出现偏载情况，导致齿轮表面接触不良，造成其表面的若干突起处出现极大地高峰接触应力。与此同时，当齿面偏软的齿轮在刚投入使用便出现点蚀现象后，齿面的凸起处就会逐渐的变平，而后再经过跑和工作过程中碾压和磨损等作用，使得齿面接触面逐渐趋于良好，此时，其高峰作用力就会随之不断的减少，直到该作用力低于最小值时，齿面点蚀便会消失。此外，齿面较硬的齿轮其自身表面接触的疲劳强度相对较高，所以极不容易出现点蚀现象，而一旦此类型齿轮出现点蚀情况后，由于该齿轮表面硬度较高，跑和工作无法有效进行，并且，其材料带有一定的脆性，凹坑边缘一般不会被轻易的碾平，只有齿面完全被损坏，点蚀才会停止，所以，在使用此种类型的齿轮时，工作人员必须要对提升设备加工和接触和精度，使硬面齿轮的优越性可以被完全的发挥出来，从而提升其工作性能。

因此，为了有效的防止各类型的齿轮出现齿面点蚀，相关人员在设计齿轮传动工作时，需要对不同类型齿轮表面的疲劳强度进行有效的计算，从而保证其齿面的接触应力能够抵御允许值。对此，有效防止齿轮出现齿面点蚀的措施有：第一，提高齿轮表面的硬度；第二，降低齿轮表面的粗糙度；第三，使用整正变位的齿轮传动方式；第四，选择粘度相对较高的润滑油；第五，提高加工和安装齿轮的精细度；第六，完善设备的散热条件。

4轮齿折断

当轮齿受到作用力之后，其悬臂梁在此时就会受到荷载力的作用，此时，齿轮根部受到的弯曲应力处于最大值；并且，由于齿根拥有加大的应力集中，所以，轮齿折断通常都是在齿轮根部发生的。当齿轮处于传动工作状态时，其轮齿每啮合一次，齿根的弯曲应力便会相应的出现一次变化。当其弯曲应力大于齿轮自身弯曲疲劳的最大值时，轮齿每一次完成重复受载工作后，齿轮根部都会出现疲劳裂纹，且这些裂纹会随着重复受载工作次数的增加而不断的扩展，最终造成轮齿折断。此外，当轮齿遭受到来自短时意外造成的严重过载或者是冲击荷载应力时，也极容易被折断，而这种折断又被称为裹在这段。

为了防止齿轮在传动的过程中出现轮齿折断现象，相关人员在对其传动过程进行有效设计时，首先要对轮齿能够承受的最高弯曲疲劳强度进行精密的计算。此外，有效防止轮齿折断的措施还有：第一，加大齿根部的过渡圆角，降低齿轮根部表面的粗造程度，并提高加工齿轮表面是的工艺精度等；第二，提高安装齿轮设备的精度，并提高支撑轮齿的刚性，从而有效的避免轮齿出现偏载现象；第三，完善对设备进行热处理的方案，使得齿轮的表面具有一定的硬度，其内芯有一定的韧性；第四，采用辊压和喷丸等处理工艺对齿根进行强化处理。

5齿面胶合

对于齿轮设备来讲，此种失效形式属于相对比较严重的一种粘着磨损，其主要是齿轮在高速重载传动工作中，由于自身滑动的速度过快而在瞬间产生较高的温度，使得油膜被损坏导致的各个齿轮表面出现了粘焊现象；并且，当齿轮的粘焊处受外力作用被撕脱后，轮齿的表面会沿着活动的方向出现较为均匀的沟痕，导致齿轮胶合。

为了有效的防止或者是减轻齿轮表面的胶合，可以采取以下防护措施：第一，使用抗胶合力相对较强的润滑油；第二，使用角变位材料来对齿轮进行传动；第三，降低齿轮的模数和高度，以便有效降低齿轮滑动的速度；第四，提高齿轮表面的硬度；第五，相互配对的齿轮要具有意一定的硬度差；第六，改善齿轮的润滑和散热条件。

6结束语

总而言之，除了上述本文分析和讲解的几种常见的齿轮失效形式之外，如果齿轮在传动工作进行时出现了短时间的过载，那么，齿轮就会出现一定程度的静强度破坏。并且，在短时过载这一情况的作用下，受到极高弯曲应力的影响，由塑性材料制作完成的齿轮就会因此而出现一定程度的弯曲和变形；由脆性材料或者是小塑性材料制作出来的齿轮还会出现弯曲脆性折断情况。因此，为了能够有效的防止这些失效形式的出现，在必要的时候，工作人员可以按照短时过载的节线静强度来对荷载力进行校队和审核。

参考文献

[1]李如华,韩梅,郎娟芳.《齿轮失效形式分析》[J].机电产品开发与创新,2011(2).

[2]聂勇军,罗敬东.《齿轮失效模式形成分析》[J].琼州学院学报,2011(2).

[3]安运铮，热处理工艺学[M].北京：机械工业出版社，1982，204-257.