第1节 齿轮的失效模式 - 图文

第一节 齿轮强度的失效模式

变速器齿轮强度的失效模式有：

轮齿断裂、齿面点蚀及剥落、齿面胶合、齿面磨损

一、 轮齿断裂

齿轮在啮合过程中，齿面承受有集中载荷的作用。我们可以把轮齿看作悬臂梁，轮齿根部弯曲应力很大，过渡圆角处又有集中应力作用，故轮齿根部容易发生断裂。轮齿折断有两种情况，疲劳断裂和过载断裂。（附图片） 1、 疲劳断裂

在长时间交变载荷的情况下，齿轮根部经受交变的弯曲应力。如果高应力点的应力超过材料的耐久极限，则首先在齿根处产生很短的裂纹，随着载荷次数的不断增加，裂纹不断扩大，最后导致轮齿部分地或整个地断掉。在开始出现裂纹处和突然断掉前出现裂纹处，在载荷作用下由于裂纹断面间的摩擦，形成一个光亮的断面区域，这是疲劳断裂的特征。其余断面由于是突然形成的故为粗糙表面的新断面。参见图2.1-1。

图2.1-1

2、 过载断裂

由于设计不当或齿轮材料不符合要求或热处理不符合要求，或由于突然性的峰值载荷的冲击。使载荷超过了齿轮弯曲强度所允许的范围，而引起轮齿的一次性突然折断。此外，由于装配的齿侧间隙调节不当、安装刚度不够、安装位置不对等原因，使齿轮表面接触区偏向一端，轮齿受到局部集中载荷时，往往会使一端沿斜向产生局部齿端折断，各

种形式的过载断裂的断面均为粗糙的新断面。参见图2.1-2。

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图2.1-2

为避免齿轮轮齿折断，需降低轮齿的弯曲应力，即提高齿轮的弯曲强度，采用下列措施可提高轮齿的弯曲强度：

1．）增大齿轮的根部厚度； 2．）加大齿轮的齿根圆弧半径； 3．）增大齿顶高系数，以提高重合度，使同时啮合的齿数增多； 4．）使齿根部过渡圆角的粗糙度尽量的低； 5．）提高材料的弯曲疲劳极限，采用优质的齿轮钢； 6．）采用强力喷丸提高齿轮根部的压应力；

二、齿面点蚀及剥落

齿面点蚀及剥落是闭式渗碳齿轮传动经常出现的一种损坏形式。约占损坏报废齿轮的

70%以上，它主要由于齿轮的接触应力不够引起。

1、齿面点蚀

因闭式齿轮传动齿轮在润滑油中工作，齿面长期受到脉动的交变应力的作用，会逐渐产生大量与齿面成尖角的小裂缝。裂缝中充满了润滑油，啮合时由于相互挤压，裂缝中油压增高，使裂缝继续扩展，最后导致齿面表层一块块脱落，齿面出现大量点形小麻点。这就是齿面点蚀现象。若以节圆为界，把轮齿分为根部及顶部两段，则靠近节圆根部的齿面处，比靠近节圆顶部的齿面处点蚀严重。两个互相啮合的齿轮中，主动的小齿轮点蚀较严重。点蚀的后果不仅是齿面出现许多小麻点，而且由此使齿形误差加大，产生动载荷，也可能引起轮齿折断。参见图2.1-3。

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图2.1-3

2.齿面剥落

发生在渗碳齿轮及淬硬齿轮的齿面上，形成沿齿宽方向分布较点蚀更深的凹坑。凹坑壁沿齿表面陡直地陷下。造成齿面剥落的主要原因是表层强度不够。例如，渗碳齿轮表层太薄，心部硬度不够等都会引起齿面剥落。当渗碳齿轮热处理不当，使渗碳层中含碳浓度的梯度太陡时，则一部分渗碳层齿面形成的硬皮也将从齿轮上剥落下来。参见图2.1-4。

图2.1-4

提高接触强度的措施：

合理选择齿轮参数，使接触应力降低； 提高齿面硬度和降低齿面粗糙度；

三 、齿面胶合

高速重载的齿轮传动，轴线不平行的螺旋齿轮传动及双曲面齿轮传动，由于齿面相对滑动速度大，接触压力大，使齿面润滑油膜破坏，两齿面间金属材料直接接触，局部温度过高，互相熔焊粘接，齿面沿滑动方向形成撕伤痕迹，这种损坏形式叫胶合。参见图2.1-5。

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图2.1-5

防止胶合的措施有：一方面采用粘度大或加有耐压添加剂的润滑油，提高油膜强度，使油膜不破坏，就可以不产生局部温升；另一方面可提高齿面硬度，或啮合齿轮采用不同材料等。

对于汽车变速器齿轮，胶合损坏的情况不是很多。

四、齿面磨损

齿轮齿面间相互滑动、研磨或划痕所造成的损坏现象。规定范围内的正常磨损

是允许的，研磨磨损是由齿轮传动中的剥落颗粒、装配中带入的杂物如：未清除的型砂、氧化皮及油中不洁物所造成的不正常磨损，应予以避免。参见图2.1-6。

图2.1-6

防止齿面磨损的措施有：提高齿面硬度；降低齿面粗糙度；减少磨粒侵入。

第二节 齿轮的强度计算

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一、 齿轮强度计算方法概述：

目前，在国际上齿轮强度的计算方法有数十种，其中较有影响的齿轮强度计算方法大致有以下几种：

(1) 国际标准化组织 ( International Organization for Standardization，简称ISO ) 计算法； (2)德国工业标准 ( Deutsche Industrie Norm，简称DIN ) 计算法；

(3)美国齿轮厂商协会( American Gear Manufacturers Association，简称AGMA )计算法； (4)日本齿轮工业协会 ( Japan Gear Manufacturers Association，简称JGMA ) 计算法； (5)英国标准 ( British Standard，简称BS ) 计算法； (6)前苏联国家标准计算法；

上述各种齿轮强度计算方法的基本理论都是相同的，并且都是计算齿面的接触应力和齿根的弯曲应力，但它们对所考虑的影响齿轮强度的因素不尽相同。 我国的齿轮强度计算过去一直都沿用前苏联四十年代的方法，由于此方法由于所考虑的因素不全面，计算精度较差，所以逐渐被淘汰，目前，我国已参加了国际标准化组织，并参照ISO的齿轮强度计算标准制定了我国的渐开线圆柱齿轮承载能力计算的国家标准 ( GB3480-83 ) 。此标准不断地被更新，1997年发布最新的版本（GB/T 3480-1997）。

齿轮计算载荷的确定在齿轮强度计算中占据至关重要的地位，而影响轮齿载荷的因素却有很多，也比较复杂，目前在国际上的各种齿轮强度计算方法的主要区别，就是对载荷影响因素的计算方法的不同，我国的国家标准局所发表的渐开线圆柱齿轮承载能力计算方法是参照国际标准化组织的计算方法所制定的，该方法比较全面地考虑了影响齿轮承载能力的各种因素，现已成为目前最精确的、综合的齿轮强度计算方法。

影响轮齿载荷的各种因素大致可归纳为四个方面，分别用四个系数来修正名义载荷，这四个系数分别为使用系数KA、动载系数Kv、齿向载荷分布系数K?、齿间载荷分配系数K?。 1、各种齿轮强度计算方法所采用的动载系数Kv在形式上有很大的差别，考虑的因素也不相同，所以数值差别较大，有的考虑冲击，有的考虑振动，有的用实验测定Kv值，计算方法也有简有繁，例如美国AGMA、日本JGMA和德国DIN等的Kv值主要根据速度和齿轮精度确定，而国际标准化组织ISO则按振动理论及动载实验来确定Kv值，所以比较合理。

2、各种齿轮强度计算方法所采用的齿向载荷分布系数K?的计算方法各不相同，苏联和国际标准化组织的齿轮承载能力计算方法考虑得比较全面，包括了较详尽的影响因素，但计算也较复杂，而美国AGMA标准中计算虽较简单，但对影响载荷分布的因素考虑较少，数值也过于粗略。

3、各种齿轮强度计算方法所采用的齿间载荷分配系数K?的具体处理上有很大的差别，苏联对K?取值较为简单，认为直齿轮在节点啮合时，不存在载荷分配问题，斜齿和人字齿轮则考虑轮齿精度对齿间载荷分配的影响，而美国AGMA标准中，尽管齿间载荷分配系数的表现形式不同，但基本观点与ISO相似，日本JGMA标准是参考ISO与德国DIN标准，并结合其具体情况作某些修改后制定的，国际标准化组织ISO和我国国标GB的计算标准中，对齿间载荷分配关系分析得较细，考虑也较全面，比较接近实际。

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