齒輪傳動的失效形式及設計準則

tags:    時間:2014-03-07 10:22:58
齒輪傳動的失效形式及設計準則簡介
(一)失效形式     齒輪傳動就裝置形式來說,有開式、半開式及閉式之分;就使用情況來說有低速、高速及輕載、重載之別;就齒輪材料的性能及熱處理工藝的不同,輪齒有較脆(……
齒輪傳動的失效形式及設計準則正文

(一)失效形式

    齒輪傳動就裝置形式來說,有開式、半開式及閉式之分;就使用情況來說有低速、高速及輕載、重載之別;就齒輪材料的性能及熱處理工藝的不同,輪齒有較脆(如經整體淬火、齒面硬度較高的鋼齒輪或鑄鐵齒輪)或較韌(如經調質、常化的優質鋼材及合金鋼齒輪),齒面有較硬(輪齒工作面的硬度大於350HBS或38HRC,並稱為硬齒面齒輪)或較軟(輪齒工作面的硬度小於或等於350HBS或38HRC,並稱為軟齒面齒輪)的差別等。由於上述條件的不同,齒輪傳動也就出現了不同的失效形式。一般地說,齒輪傳動的失效主要是輪齒的失效,而輪齒的失效形式又是多種多樣的,這裡只就較為常見的輪齒折斷和工作面磨損、點蝕,膠合及塑性變形等略作介紹,其餘的輪齒失效形式請參看有關標準。至於齒輪的其它部分(如齒圈、輪輻、輪轂等),除了對齒輪的質量大小需加嚴格限制外,通常只需按經驗設計,所定的尺寸對強度及剛度均較富裕,實踐中也極少失效。

1.輪齒折斷


輪齒折斷有多種形式,在正常情況下,主要是齒根彎曲疲勞折斷,因為在輪齒受載時,齒根處產生的彎曲應力最大,再加上齒根過渡部分的截面突變及加工刀痕等引起的應力集中作用,當輪齒重複受載后,齒根處就會產生疲勞裂紋,並逐步擴展,致使輪齒疲勞折斷(見圖1 圖2 圖3)。 此外,在輪齒受到突然過載時,也可能出現過載折斷或剪斷;在輪齒受到嚴重磨損后齒厚過分減薄時,也會在正常載荷作用下發生折斷。 在斜齒圓柱齒輪(簡稱斜齒輪)傳動中,輪齒工作面上的接觸線為一斜線(參看),輪齒受載后,如有載荷集中時,就會發生局部折斷。

 

圖1

圖2

圖3

若製造或安裝不良或軸的彎曲變形過大,輪齒局部受載過大時,即使是直齒圓柱齒輪(簡稱直齒輪),也會發生局部折斷。

為了提高齒輪的抗折斷能力,可採取下列措施:1)用增加齒根過渡圓角半徑及消除加工刀痕的方法來減小齒根應力集中;2)增大軸及支承的剛性,使輪齒接觸線上受載較為均勻;3)採用合適的熱處理方法使齒芯材料具有足夠的韌性;4)採用噴丸、滾壓等工藝措施對齒根表層進行強化處理。

2.齒面磨損


在齒輪傳動中,齒面隨著工作條件的不同會出現不同的磨損形式。例如當嚙合齒面間落入磨料性物質(如砂粒、鐵屑等)時,齒面即被逐漸磨損而至報廢。這種磨損稱為磨粒磨損(見圖1 圖2 圖3 )。它是開式齒輪傳動的主要形式之一。改用閉式齒輪傳動是避免齒面磨粒磨損最有效的方法。

3.齒面點蝕


點蝕是齒面疲勞損傷的現象之一。在潤滑良好的閉式齒輪傳動中,常見的齒面失效形式多為點蝕。所謂點蝕就是齒面材料變化著的接觸應力作用下,由於疲勞而產生的麻點狀損傷現象(見圖1 圖2 圖3)。齒面上最初出現的點蝕僅為針尖大小的麻點,如工作條件未加改善,麻點就會逐漸擴大,甚至數點連成一片,最後形成了明顯的齒面損傷。 齒輪在嚙合過程中,齒面間的相對滑動起著形成潤滑油膜的作用,而且相對滑動速度愈高,愈易在齒面間形成油膜,潤滑也就愈好。當輪齒在靠近節線處嚙合時,由於相對滑動速度低,形成油膜的條件差,潤滑不良,摩擦力較大,特別是直齒輪傳動,通常這時只有一對齒嚙合,輪齒受力也最大,因此,點蝕也就首先出現在靠近節線的齒根面上,然後再向其它部位擴展。


從相對意義上說,也就是靠近節線處的齒根面抵抗點蝕的能力最差(即接觸疲勞強度最低)。 提高齒輪材料的硬度,可以增強齒輪抗點蝕的能力。在嚙合的輪齒間加註潤滑油可以減小摩擦,減緩點蝕,延長齒輪的工作壽命。並且在合理的限度內,潤滑油的粘度越高,上述效果也愈好。因為當齒面上出現疲勞裂紋后,潤滑油就會侵入裂紋,而且粘度愈低的油,愈易侵入裂紋。潤滑油侵入裂紋后,在輪齒嚙合時,就有可能在裂紋內受到擠脹,從而加快裂紋的擴展,這是不利之處。所以對速度不高的齒輪傳動,以用粘度高一點的油來潤滑為宜;對速度較高的齒輪傳動(如圓周速度v>12m/s),要用噴油潤滑(同時還起散熱的作用),此時只宜用粘度低的油。開式齒輪傳動,由於齒面磨損較快,很少出現點蝕。

4.齒面膠合


對於高速重載的齒輪傳動(如航空發動機減速器的主傳動齒輪),齒面間的壓力大,瞬間溫度高,潤滑效果差,當瞬時溫度過高時,相嚙合的兩齒面就會發生粘在一起的現象,由於此時兩齒面又在作相對滑動,相粘結的部位即被撕破,於是在齒面上沿相對滑動的方向形成傷痕,稱為膠合,如圖1 圖2 圖3中的輪齒部分所示。傳動時齒面瞬時溫度愈高、相對滑動速度愈大的地方,愈易發生膠合。


有些低速重載的重型齒輪傳動,由於齒面間的油膜遭到破壞,也會產生膠合失效。此時,齒面的瞬時溫度並無明顯增高,故稱為冷膠合。 加強潤滑措施,採用抗膠合能力強的潤滑油(如硫化油),在潤滑油中加入極壓添加劑等,均可防止或減輕齒面的膠合。

5.齒麵塑性變形


塑性變形屬於輪齒永久變形一大類的失效形式,它是由於在過大的應力作用下,輪齒材料處於屈服狀態而產生的齒面或齒體塑性流動所形成的。塑性變形一般發生在硬度低的齒輪上;但在重載作用下,硬度高的齒輪上也會出現。 塑性變形又分為滾壓塑變和錘擊塑變。滾壓塑變是由於嚙合輪齒的相互滾壓與滑動而引起的材料塑性流動所形成的。由於材料的塑性流 動方向和齒面上所受的摩擦力方向一致,所以在主動輪的輪齒上沿相對滑動速度為零的節線處被碾出溝槽,而在從動輪的輪齒上則在節線處被擠出脊棱。這種現象稱為滾壓塑變(見右圖)。錘擊塑變則是伴有過大的衝擊而產生的塑性變形,它的特徵是在齒面上出現淺的溝槽,且溝槽的取向與嚙合輪齒的接觸線相一致。 提高輪齒齒面硬度,採用高粘度的或加有極壓添加劑 的潤滑油均有助於減緩或防止輪齒產生塑性變形。


提高輪齒對上述幾種失效形式的抵抗能力,除上面所說的辦法外,還有減小齒面粗糙度值,適當選配主、從動齒輪的材料及硬度,進行適當的磨合(跑合),以及選用合適的潤滑劑及潤滑方法等。前已說明,輪齒的失效形式很多。除上述五種主要形式外,還可能出現齒面融化、齒面燒傷、電蝕、異物嚙入和由於不同原因產生的多種腐蝕和裂紋等等,可參看有關資料。

(二)設計準則


由上述分析可知,所設計的齒輪傳動在具體的工作情況下,必須具有足夠的、相應的工作能力,以保證在整個工作壽命期間不致失效。因此,針對上述各種工作情況及失效形式,都應分別確立相應的設計準則。但是對於齒面磨損、塑性變形等,由於尚未建立起廣為工程實際使用而且行之有效的計算方法及設計數據,所以目前設計的一般使用的齒輪傳動時,通常只按保證齒根彎曲疲勞強度及保證齒面接觸疲勞強度兩準則進行計算。對於高速大功率的齒輪傳動(如航空發動機主傳動、汽輪發電機組傳動等),還要按保證齒面抗膠合能力的準則進行計算(參閱GB6413-1986)。至於抵抗其它失效能力,目前雖然一般不進行計算,但應採取的措施,以增強輪齒抵抗這些失效的能力。


由實踐得知,在閉式齒輪傳動中,通常以保證齒面接觸疲勞強度為主。但對於齒面硬度很高、齒芯強度又低的齒輪(如用20、20Cr鋼經滲碳后淬火的齒輪)或材質較脆的齒輪,通常則以保證齒根彎曲疲勞強度為主。如果兩齒輪均為硬齒面且齒面硬度一樣高時,則視具體情況而定。


功率較大的傳動,例如輸入功率超過75kW的閉式齒輪傳動,發熱量大,易於導致潤滑不良及輪齒膠合損傷等,為了控制溫升,還應作散熱能力計算。


開式(半開式)齒輪傳動,按理應根據保證齒面抗磨損及齒根抗折斷能力兩準則進行計算,但如前所述,對齒面抗磨損能力的計算方法迄今尚不夠完善,故對開式(半開式)齒輪傳動,目前僅以保證齒根彎曲疲勞強度作為設計準則。為了延長開式(半開式)齒輪傳動的壽命,可視具體需要而將所求得的模數適當增大。


前已述之,對於齒輪的輪圈、輪輻、輪轂等部位的尺寸,通常僅作結構設計,不進行強度計算。

 

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