齿轮传动的失效形式和设计约束结构设计

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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