工业齿轮损伤形式

　　齿轮传动具有效率高、结构紧凑、工作可靠、使用寿命长、传动比稳定等一系列特点，是机械传动中最主要的一种传动形式。但是，由于设计、制造以及使用不当、润滑不良等原因，齿轮传动在工作过程中，常常会发生失效。常见的齿轮传动的失效形式，有轮齿的折断、齿面磨损、齿面点蚀、胶合、塑性变形等五大类型。在这些失效形式中，润滑对其影响程度是不一样的，有的甚至只是非直接性的影响。但是，不论是那一种失效形式，都将导致齿轮传动不能正常工作。

一、轮齿折断

　　轮齿就象是一个悬臂梁，受传动荷载作用后，相对于轮齿的其他部位，在齿根处将产生最大弯曲应力，再加之齿根处过渡部分的尺寸变化较大，以及沿齿宽方向的加工刀痕等引起的应力集中，齿根处很容易产生疲劳裂纹。当裂纹逐步扩展达到一定的程度后，就会发生轮齿的断裂。轮齿受到大载冲击或严重磨损而齿厚变薄时也会发生折断现象。另外，若制造或安装不良或轴的刚性不够而弯曲变形过大时，将导致轮齿局部过载，也会发生轮齿局部折断。闭式、开式或半开式传动，都可能发生轮齿折断。通常齿宽较小的齿轮容易发生全齿折断，齿宽较大的齿轮容易发生局部折断。折断有两种，一种是轮齿因短时过载或受到冲击载荷而发生突然折断；另一种是轮齿因受多次重复弯曲而发生的疲劳折断。

二、 齿面磨损

　　齿轮传动在工作时，齿廓表面在啮合中存在着相对滑动，齿面由此产生摩擦导致齿面磨损。无论是多么硬的齿面，在齿轮使用一段时间后其齿面都会有所磨损，而磨料性物质的进入(如砂粒、铁屑等)则无疑是加剧齿面磨损的直接原因。避免轮齿过度磨损的最有效方法之一，是以闭式传动代替半开式或开式传动。但是，不论是闭式、半开式，还是开式传动，适当的表面处理，如渗碳淬火、调质(正火)高频表面淬火等都有助于提高齿面硬度及耐磨性。提高齿面的耐磨性，保持良好的润滑条件，合理地选择变位系数，以降低齿面的相对滑动速度和接触应力，都可以减轻磨损。齿面磨损常见的具体形式包括：正常磨损、磨粒磨刮伤，干涉磨损和腐蚀等。

2.1 正常磨损

　　凡磨损率不影响齿轮在预期寿命内的功能的磨损，称正常磨损(称为跑合或磨合)。正常磨损的齿面，光亮平滑，没有宏观擦痕，各项误差都在允许范围内。一般认为在工作初期，由于齿廓接触表面存在凸峰，润滑状较差，凸峰较易磨损，磨损率较大。随着表面凸峰的磨平，实际接触面积增大，润滑状态改善，磨损率变小。正常磨损齿面状况见下图。

2.2 磨粒磨损

　　在啮合过程中，由于落在工作齿面上的微小颗粒而引起的齿面磨损，称为磨粒磨损。磨粒磨损的磨损率较正常磨损大，齿面发暗，沿滑动速度方向，有均匀细微条痕。磨粒磨损的进一步发展，会使齿轮变薄，侧隙增大，引起齿形改变。微小颗粒可来自油中的杂质和污物、铁屑等。磨粒磨损齿面状况见上图。

2.3 刮伤

　　齿面上的毛刺、突起或由齿面的磨粒所引起的齿面磨损，统称为刮伤。刮伤的齿面上，沿滑动速度方向呈现出长短、深浅、间距不规则的刮痕。一般如将起因排除，损伤即可停止扩展。当嵌人齿面的磨粒多时，刮伤可以分布在整个工作齿面上，在齿顶和齿根部尤为严重。刮伤齿面状况见下图。

2.4 干涉磨损

　　在啮合过程中，由于啮合干涉引起。发生干涉磨损时，轮齿的根部被挖出沟槽，与其相啮合的轮齿顶部被滚圆，磨损强弱程度视干涉程度而异。轻微干涉引起的磨损，除增加运转噪声外并无其他严重后果；但严重干涉，会使齿廊干涉部位严重磨损，甚至导致齿轮传动的失效。参数设计不合理齿轮误差过大、安装中心距过小、工作中变形较大等原因，都会造成齿轮不正常啮合而引起干涉磨损。干涉磨损齿面状况见上图。

2.5 化学腐蚀磨损

　　以化学腐蚀作用为主并伴有机械磨损的一种齿轮损伤。齿轮常有腐蚀麻坑，沿滑动速度方向还呈现出细匀的磨痕。磨损产物大都为红褐色小片，其主要成分是三氧化二铁。化学腐蚀磨损是由于润滑剂中存在的污物和(或)杂质，与齿轮材料发生化学反应或电化学反应而引起的。同时，腐蚀部分由于啮合摩擦和润滑剂的冲刷而脱落，形成化学腐蚀磨损。化学腐蚀磨损齿面状况见下图。

2.6 微振

　　腐蚀磨损没有啮合运动的接触齿面，在长期微振和腐蚀作用下产生的齿面材料磨损，称为微振腐蚀磨损。微振腐蚀磨损发生在齿面接触线上，通常呈现为厚度不均匀的漆状红褐色复层，或呈现为难以擦除的“粉状”条痕。微振腐蚀磨损产物的主要成分是铁的氧化物。微振腐蚀磨损齿面状况见上图。

2.7 气蚀和冲蚀

　　由于气穴现象而造成的齿面侵蚀，称为气蚀。由于液体润滑剂冲刷而造成的齿面侵蚀，称为冲蚀。气蚀和冲蚀几乎发生于齿轮的全部轮齿上。齿面上受侵蚀的部位，常呈现为分布不均的喷沙状和微小麻坑。气蚀和冲蚀齿面状况见下图。

三、点蚀

　　点蚀是闭式齿轮传动常见的失效形式，是一种在变化的接触应力作用下的疲劳失效，常首先出现在靠近节线的齿根面上。这是因为，轮齿靠近节线的齿根面接触疲劳强度低，加之啮合处相对滑动速度低，润滑油膜形成条件差，摩擦力较大的原因。一对齿轮在啮合时，两齿面之间在接触处产生循环的接触应力，如果接触应力超过齿面材料的疲劳强度极限，当齿轮工作一定时期以后，在齿面上就会出现微观的疲劳裂纹。这种疲劳裂纹首先发生在节线附近的齿根表面上，随着裂纹的逐渐蔓延和扩展，齿面金属表层将产生片状剥落而形成麻坑，这种现象称为点蚀。软齿面(硬度<350HBS)的闭式齿轮传动常因齿面点蚀而失效。在开式传动中，由于齿面磨损较快，点蚀还来不及出现或扩展即被磨掉，所以一般看不到点蚀现象。当点蚀出现后，齿面承载面迅速减小，使接触应力急剧增大，不仅加剧齿面的疲劳损坏，同时也破坏了齿面啮合的正确性，因而引起相当大的动载荷，最终导致齿面无法正常工作。齿面因交变应力接触导致齿面产生疲劳点蚀，从轻微点蚀会发展到破坏性点蚀，进而会引起齿面剥落，最后有可能导致齿轮断齿。点蚀包括疲劳点蚀、展性疲劳点蚀和疲劳剥落等。实践表明，为了防止齿面点蚀破坏，应进行接触疲劳强度的计算，在允许范围内采取较大的正变位，提高齿面的硬度和光洁度。

四、齿面胶合

　　齿面胶合常见于重载高速齿轮传动。发生齿面胶合的原因是齿间压力过大，瞬时温度过高，润滑效果较差(如不能形成润滑油膜或润滑系统发生停止供油事故等)。与齿面点蚀和轮齿折断不同的是，齿面胶合失效往往具有突发性，一旦齿面发生胶合损伤将会导致传动齿轮动载增大，振动加剧，并进一步导致齿轮损伤恶化。齿面胶合齿面状况见下图。

　　易引起胶合的部位，是啮合面的开始和终止处，即减速时在小齿轮齿根和大齿轮的齿顶，或小齿轮的齿顶和大齿轮的齿根。这是因为这些地方滑移速度大，而且啮合开始时一般有很大的力。产生胶合的条件有负荷、滑移速度、摩擦系数、材质、制造误差、应力集中和润滑油等多种因素。热比机械力更容易削弱油膜强度。齿轮负荷中相当大的部分是以边界摩擦传递的，所以负荷和速度增加，接触部分的发热也增加，胶合的危险性大。

五、塑性变形

　　轮齿的塑性变形有局部塑性变形和整个轮齿的塑性变形两种情形。局部塑性变形往往发生在齿面节线附近，对于主动齿轮，齿面节线附近下凹，对于从动齿轮，齿面节线附近上凸。在过大的应力作用下，轮齿材料因屈服产生塑性流动而形成齿面或齿体的塑性变形。塑性变形一般多发生于硬度低的齿轮上，在重载作用下硬度高的齿轮上也常发生，而整个轮齿的塑性变形则往往是由于受到过大的冲击载荷所致。

5.1 压痕

　　外界异物或从轮齿上脱落的金属碎片进入啮合部位，在齿面上压出凹痕而形成的齿面损伤称为压痕。通常压痕的凹痕较为浅平，而严重的压痕常伴有局部的轮齿变形，甚至使正常啮合遭到破坏。压痕齿面状况见上图。

5.2 鳞皱

　　齿面上垂直于滑动速度方向的，呈鳞状皱纹的塑性损伤称为鳞皱。鳞皱是由于重载、振动或润滑不良，齿面在相对滑动时产生“爬行”现象而引起的。轻度的鳞皱，只要不任其发展，对齿轮传动没有明显的影响；但严重的鳞皱会使齿廊破坏，并引起其他形式的严重损伤。鳞皱齿面状况见下图。

5.3 碾击

　　塑变轮齿在互相滚碾和冲击下产生的塑变损伤，称为碾击塑变。碾击塑变表现为主动轮齿面沿节圆线附近出现凹沟，而在从动轮正在联网识别并翻译.现凸峰，齿顶棱附近滚圆并出现飞边。碾击塑变通常出现在软齿面齿轮上，但有时也出现在硬齿面齿轮上。过载和润滑不良引起的齿面摩擦力过大，或啮合不正常引起的较大冲击载荷，都会引起碾击塑变。碾击塑变齿面状况见上图。