齿轮传动的失效形式及设计准则

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1、第23讲11-9齿轮传动的失效形式及设计准则11-10齿轮的常用材料及许用应力§11.9齿轮传动失效形式及设计准则一、失效形式及设计准则齿轮传动的失效主要是指齿轮轮齿的破坏。至于齿轮的其它部分，通常都是按经验进行设计，所以确定尺寸对强度来说都是很富裕的，在实际工程中也极少破坏。针对轮齿失效形式不同，决定轮齿强度的设计准则和计算方法也不同。所以，首先我们要了解轮齿的主要失效形式。工程上主要有二大类（5小类）失效形式。1）轮齿折断（打牙）轮齿就好象一个悬臂梁，在受外载作用时，在其轮齿根部产生的弯曲应力最大。同时，在齿根部位过渡尺寸发生急剧变化，以及加工时沿齿宽方向留下加工刀痕而

2、造成应力集中的作用，当轮齿重复受载，在脉动循环或对称循环应力作用下，在根部会造成疲劳断裂。不良或由于轴的刚度不足而产生过大的弯曲变形，也会出现轮齿局部过载，造成局部折断。轮齿受到突然过载，齿根应力如果超过材料强度极限，也会发生脆断现象。在斜齿轮传动中，轮齿的接触线为一斜线，轮齿受载后会发生局部折断；直齿圆柱齿轮，若制造及安装轮齿折断都是其弯曲应力超过了材料相应的极限应力，是最危险的一种失效形式。一旦发生断齿，传动立即失效。根据这种失效形式确定的设计准则及计算方法即为轮齿弯曲强度计算。由于疲劳破坏是断齿的主要原因，故齿根弯曲疲劳强度计算是后面所要讨论的主要问题之一。2）轮齿工

3、作表面的破坏轮齿的破坏，除断齿外，还有轮齿表面的破坏而造成传动的失效。轮齿表面的破坏主要有四类：点蚀、胶合、塑性变形和磨损。（1）齿面点蚀在润滑良好的闭式齿轮传动中，由于齿面材料在交变接触应力作用下，因为接触疲劳产生贝壳形状凹坑的破坏形式称为点蚀，也是常见的一种齿面破坏形式。齿面点蚀：轮齿工作面某一固定点受到近似脉动的变应力作用，由于疲劳而产生的麻点状剥蚀损伤的现象。点蚀是闭式传动常见的失效形式。开始齿轮由于磨损很少出现点蚀。点蚀首先出现在节线附近。齿面上最初出现的点蚀随材料不同而不同，一般出现在靠近节线的齿根面上，最初为细小的尖状麻点。当齿面硬度较低、材料塑性良好，齿面经

4、跑合后，接触应力趋于均匀，麻点不再继续扩展，这是一种收敛性点蚀，不会导致传动失效。但当齿面硬度较高、材料塑性较差时，点蚀就会不断扩大，这是一种破坏性点蚀，是一种危险的失效形式。为什么最初点蚀会发生在靠近节线的齿根面上呢？因为在轮齿的啮合过程中，齿面间的相对滑动起着形成润滑油膜的作用，而且相对速度越高，形成油膜的作用越显著，润滑也就越好。当轮齿在靠近节线处啮合时，相对滑动速度低，带油效果差，所以在这里首先出现点蚀破坏。也就是说：在靠近节线处的齿根面抵抗点蚀破坏的能力最差。由于油膜的存在，增大了齿面上实际承受压力的面积，可以减缓点蚀破坏。在合理的限度内，油的粘度越高，效果越好。

5、低速时可用高粘度油；当高速（如）时，则要选用粘度较低的油，采用喷油润滑，同时起到散热的作用。针对点蚀破坏而拟订的设计准则和计算方法即为齿面接触疲劳强度计算。（2）齿面胶合对于某些高速重载的齿轮传动（如航空发动机的主传动齿轮），齿面间的压力大，瞬时温度高，油变稀而降低了润滑效果，导致摩擦增大，发热增多，将会使某些齿面上接触的点熔合焊在一起，在两齿面间相对滑动时，焊在一起的地方又被撕开。于是，在齿面上沿相对滑动的方向形成伤痕，这种现象称作胶合。防止胶合的措施：提高齿面硬度；降低齿面粗糙度；增大润滑油粘度；限制油温。缺少供油，也会导致胶合。针对胶合失效而拟订的设计准则及计算方法即

6、为传动的胶合承载能力计算。由于这种方法目前还不统一，而且计算过程复杂，我们就不作介绍。（3）齿面磨损在开式传动中，这是一种主要的破坏形式，现在还没有简明的计算方法。齿面磨损：灰尘、砂粒、金属微粒等落入轮齿间，会使齿面间产生摩擦磨损。严重时会因齿面减薄过多而折断。磨损是开式传动的主要失效形式。主要措施：采用闭式传动；提高齿面硬度；降低齿面粗糙度；采用清洁的润滑油。（4）齿面塑性变形若轮齿的材料较软，载荷及摩擦力又都很大时，齿面材料就会沿着摩擦力的方向产生塑性变形，这种情况一般发生在硬度较低的齿面上。以上所列举的是齿轮失效的几种主要形式，都有可能在传动中发生。但在一定条件下，总

7、有一种形式是主要的。随着强度计算理论的发展和计算方法的完善，各国都制订有针对轮齿折断和点蚀的两种计算方法和标准，也是比较成熟和完善的两种。针对不同的齿轮传动失效形式、设计准则也有所不同，具体设计准则如下：1、当轮齿表面硬度≤350HBS（HRC<38）时，称软齿面；当轮齿表面硬度>350HBS(HRC>38)时，称硬齿面。2、闭式软齿面齿轮传动：按接触强度确定传动的尺寸，而后验算齿根弯曲疲劳强度；3、闭式硬齿面齿轮传动：按弯曲疲劳强度确定，验算接触强度；4、开式传动：由于开式传动的失效形式主要是造成轮齿变薄，产生断