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时间:2017-12-09
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1、齿轮传动的失效形式和设计约束结构设计1、齿轮传动的失效形式 齿轮传动的失效一般发生在轮齿上,通常有轮齿折断和齿面损伤两种形式。后者又分为齿面点蚀、磨损、胶合和塑性变形等。 1.1、轮齿折断 一般发生在齿根部位,因为齿根是应力集中源而且应力最大。轮齿折断可分为: (1)疲劳折断:轮齿受力后齿根部受弯曲应力的反复作用,当齿根过渡圆角处的交变应力超过了材料的疲劳极限时,其拉伸侧将产生疲劳裂纹(图3-1a)。裂纹不断扩展(图3-1b),最终造成轮齿的弯曲疲劳折断(图3-1c)。 (a)(b)44(c)图3-1 疲劳折断 (2)、过载折断:若齿轮严重过
2、载或受冲击载荷作用,或经严重磨损后齿厚过分减薄时,导致齿根危险截面上的应力超过极限值而发生突然折断。 从折断现象上看,折断有全齿折断和局部折断之分。前者一般发生在齿宽较小的直齿圆柱齿轮;后者齿根裂纹沿倾斜方向扩展,往往发生在齿宽较大的直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮及人字齿轮上。 选用合适的材料和热处理方法,使齿根芯部有足够的韧性;采用正变位齿轮,增大齿根圆角半径,对齿根处进行喷丸、辊压等强化处理工艺,均可提高轮齿的抗折断能力。1.2、齿面点蚀 (1)产生机理: 轮齿受力后,齿面接触处将产生循环变化的接触应力,在接触应力反复作用下,轮齿表层或次表层出现不
3、规则的细线状疲劳裂纹,疲劳裂纹扩展的结果,使齿面金属脱落而形成麻点状凹坑,称为齿面疲劳点蚀,简称为点蚀(图3-2a)。 (2)现象 一般多出现在节线附近的齿根表面上,然后再向其它部位扩展,这是因为在节线处同时啮合齿对数少,接触应力大,且在节点处齿廓相对滑动速度小,油膜不易形成,摩擦力大。它可分为早期点蚀和破坏性点蚀。(a) 点蚀机理44 (b)早期点蚀 (c)破坏性点蚀 (d)点蚀实例图3-2 疲劳点蚀 早期点蚀:对于软齿面齿轮(硬度≤350HBS),齿轮工作初期,相啮合的齿面接触不良造成局部应力过高会出现麻
4、点。经过一段时间跑合后,接触应力趋于均匀,麻点不再扩展,甚至消失,这种点蚀称为早期点蚀。 破坏性点蚀:如果点蚀面积不断扩展,麻点数量不断增多,点蚀坑大而深,就会发展成破坏性点蚀。这种点蚀一旦发生,会产生强烈的振动和噪声,导致齿轮失效。 硬齿面齿轮(硬度>350HBS),其齿面接触疲劳强度高,一般不易出现点蚀,但由于齿面硬、脆,一旦出现点蚀,它会不断扩大,形成破坏性点蚀。 开式齿轮传动中,齿面的点蚀还来不及出现或扩展就被磨去,因此一般不会出现点蚀。 提高齿面硬度和润滑油的粘度,采用正角度变位传动等,可减缓或防止点蚀产生。 1.3、齿面磨损 当齿面
5、间落入砂粒、铁屑、非金属物等磨料性物质时,会发生磨料磨损。齿面磨损后,齿廓形状破坏,引起冲击、振动和噪声,且由于齿厚减薄而可能发生轮齿折断(图3-3)。 磨料磨损是开式齿轮传动的主要失效形式。 改善密封和润滑条件、在油中加入减摩添加剂、保持油的清洁、提高齿面硬度等,均能提高抗磨料磨损能力。 44 图3-3 齿面磨损 图3-4 齿面胶合 1.4、齿面胶合 互相啮合的轮齿齿面,在一定的温度或压力作用下,发生粘着,随着齿面的相对运动,使金属从齿面上撕落而引起严重的粘着磨损现象称为胶合(图3-4)。 胶
6、合有冷胶合和热胶合之分。 热胶合:在重载高速齿轮传动中,由于啮合处产生很大的摩擦热,导致局部温度过高,使齿面油膜破裂,产生两接触齿面金属融焊而粘着,这种胶合称为热胶合。热胶合是高速重载齿轮传动的主要失效形式。 冷胶合:在重载低速齿轮传动中,由于局部齿面啮合处压力很高,且速度低,不易形成油膜,使接触表面膜被刺破而粘着,这种胶合称为冷胶合。 减小模数、降低齿高、采用角度变位齿轮以减小滑动系数,提高齿面硬度,采用抗胶合能力强的润滑油(极压油)等,均可减缓或防止齿面胶合。 1.5、塑性变形(a)塑性变形机理 (b)主动轮塑性变形
7、 (c)从动轮塑性变形图3-5 塑性变形 (1)产生机理: 当轮齿材料较软,载荷及摩擦力又很大时,轮齿在啮合过程中,齿面表层的材料就会沿着摩擦力的方向产生塑性变形(图3-5a)。 (2)现象:44 主动轮齿上所受摩擦力是背离节线分别朝向齿顶及齿根作用的,故产生塑性变形后,齿面沿节线处变成凹沟(图3-5b)。从动轮齿上所受的摩擦力方向则相反,塑性变形后,齿面沿节线处形成凸棱(图3-5c)。 提高齿面硬度,采用粘度高的润滑油,可防止或减轻齿面产生塑性变形。2、齿轮传动的设计约束 2.1、闭式软齿面: 失效形式:主要是疲劳点蚀,其次是
8、轮齿折断; 设计约束:按接触疲劳强度计算,校核弯曲疲劳强度 2
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