齿轮失效形式及材料选择

2023-06-25 理论教育版权反馈

【摘要】：图1-61 齿面磨损图1-62 齿面塑性变形2.齿轮的常用材料在设计齿轮传动时，应使轮齿的表面具有较高的抗点蚀、抗磨损、抗胶合及抗塑性变形的能力。载荷平稳的齿轮传动常选用调质钢。4）对于高速、小功率轻载及要求低噪声的场合，常用尼龙、塑料、夹布胶木等非金属材料。

1.轮齿的失效形式及防止措施

在齿轮传动中，因轮齿的尺寸小而承载大，故齿轮的失效多发生在轮齿上。轮齿的主要失效形式有：

（1）轮齿折断轮齿折断是轮齿失效的主要形式，因为轮齿根部受力最大，且有应力集中，所以轮齿折断一般发生在齿根部分，见图1-58。

轮齿折断的原因有两种：一种是受到严重冲击、短期过载发生的突然折断；另一种是轮齿在长期工作后经过多次反复的弯曲，使齿根发生疲劳折断。为了防止轮齿过载折断，应避免过载和冲击。为了防止疲劳折断，则可采用合适的材料和热处理方法、选择合适的模数和齿宽、加大齿根的圆角半径及降低齿根圆角表面粗糙度、提高齿轮制造精度和安装精度等方法，都有利于防止轮齿疲劳折断。

图1-58 轮齿折断

（2）齿面点蚀两齿面接触时从理论上分析应是线接触，但由于弹性变形的原因，实际上是很小的面接触。因而表面产生很大的局部应力，称为接触应力。接触应力是按一定规律变化的，当变化次数超过一定限度后，轮齿的表面就会产生细微的疲劳裂纹，裂纹逐渐扩展，就会使表面层金属微粒剥落，形成麻点和斑坑，这便称为齿面疲劳点蚀，简称点蚀，如图1-59所示。点蚀后，齿廓表面被破坏，造成传动不平稳并产生噪声。

为了防止出现疲劳点蚀，可选择合适的齿轮参数（如增大模数和齿数）、采用合适的材料及齿面硬度、减小表面粗糙度值、选用粘度高的润滑油并采用适当的添加剂，均能提高轮齿的抗点蚀能力。

（3）齿面胶合在高速或低速重载的闭式齿轮传动中，由于啮合区局部温度升高，使润滑油粘度降低，油膜破裂，两金属表面直接接触。因摩擦而使局部温度剧升，致使齿面互相熔焊、胶合在一起，随着齿面相对滑动，较弱的齿面就会被撕脱，形成沟痕，如图1-60所示。

图1-59 齿面点蚀

图1-60 齿面胶合

防止齿面胶合的方法有：选用特殊的高粘度润滑油或在油中加入抗胶合的添加剂，选用不同材料使两轮不易粘连、提高齿面的硬度、降低齿面粗糙度、改进冷却条件等。

（4）齿面磨损因轮齿接触表面在传动中有相对滑动引起摩擦，齿面必会有磨损。如果润滑不良或是开式传动，当杂物落入齿面间更使磨损加快，致使齿廓很快失去正确形状，如图1-61所示，造成齿面磨损，齿面过度磨损会降低传动的平稳性，甚至因齿厚减小而发生轮齿折断。

减轻齿面磨损的方法有：提高齿面硬度、减小表面粗糙度值、采用合适的材料组合、加大模数、改善润滑条件（如采用闭式传动代替开式传动）和工作环境、改善润滑条件等。

（5）齿面塑性变形采用齿面较软的齿轮，在重载作用下可能产生局部的金属流动现象，即齿面塑性变形。由于摩擦力的作用，齿面塑性变形将沿着摩擦力的方向发生，如图1-62所示。最后在主动轮齿面形成凹槽，在从动轮齿面形成凸起的棱背。

材料较软的轮齿，在突然过载时还会产生整体的塑性变形。

防止塑性变形的措施有：提高齿面硬度、选用屈服强度高的材料、尽量避免频繁起动和过载。

图1-61 齿面磨损

图1-62 齿面塑性变形

2.齿轮的常用材料

在设计齿轮传动时，应使轮齿的表面具有较高的抗点蚀、抗磨损、抗胶合及抗塑性变形的能力。因此在选用齿轮材料及热处理工艺时，应使轮齿表面硬度高、心部韧性好。

1）钢材经过锻造墩粗后，改善了内部金属纤维组织，提高了材料强度并经热处理改善其力学性能。

载荷平稳的齿轮传动常选用调质钢。例如45、40Cr、35SiMn等经过正火、调质或表面淬火处理。

齿面硬度小于350HBW的齿轮，称为软齿面齿轮；若在热处理后切齿，精度可达7级至8级，由于加工方便并易于磨合，常用于强度与精度要求不高的场合。齿面硬度大于350HBW的齿轮，称为硬齿面齿轮；在切齿后经表面淬火处理，其硬度可达43～56HRC，对于表面淬火后轮齿变形不大且要求不高时可直接使用，精度要求高时，应经磨齿后再使用，这种齿轮常用于无剧烈冲击的齿轮传动中。

对于承受较大冲击载荷的齿轮，如汽车、拖拉机变速箱中的传动齿轮，一般选用强度高、韧性好的渗碳淬火钢。如20CrMnTi经过渗碳淬火，齿面硬度可达56～62HRC。通常渗碳淬火后轮齿变形较大，须进行磨齿。

对于齿面硬度高、齿形精度较高又不能磨齿的齿轮，如机床中的内齿轮，可采用渗氮钢。例如42CrMo，经渗氮后齿面硬度可达650HV以上。

2）当齿轮直径较大（齿顶圆直径d_a≥500mm）时，轮坯不便锻造，可采用铸钢齿轮。常用的铸钢材料有ZG310—570等，加工前一般经正火处理，以消除其内应力及硬度不均匀性。要求齿面硬度较高时，可采用ZG35MnTi等进行高频感应加热淬火处理。

3）铸铁齿轮的强度及冲击韧度较差，但耐磨性好、价格低廉、浇铸简单、加工方便。一般用于低速、轻载的场合，尤其适用于开式传动和低速、无冲击载荷的大直径齿轮。在造纸、印刷及农业机械中较为常见。

常用的铸铁材料有HT200、HT300、QT450—10等。其中球墨铸铁有时可代替铸钢。

4）对于高速、小功率轻载及要求低噪声的场合，常用尼龙、塑料、夹布胶木等非金属材料。

齿轮失效形式及材料选择

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