齿轮轮齿的失效形式
齿轮传动的失效主要是轮齿的失效，而轮齿的失效形式又多种多样b...b
常见的齿轮传动失效有那些形式齿轮传动的失效主要是轮齿的失效，而轮齿的失效形式又多种多样，较为常见的是下面叙述的五种失效形式。
齿轮的其它部分（如齿圈、轮辐、轮毂等），除了对齿轮的质量大小需加严格限制外，通常只需按经验设计，所定的尺寸对强度及刚度均较富裕，实践中也极少失效。
1、轮齿折断轮齿折断有多种形式，在正常情况下，主要是齿根弯曲疲劳折断，因为在轮齿受载时，齿根处产生的弯曲应力最大，再加上齿根过渡部分的截面突变及加工刀痕等引起的应力集中作用，当轮齿重复受载后，齿根处就会产生疲劳裂纹，并逐步扩展，致使轮齿疲劳折断。
此外，在轮齿受到突然过载时，也可能出现过载折断或剪断；在轮齿受到严重磨损后齿厚过分减薄时，也会在正常载荷作用下发生折断。
在斜齿圆柱齿轮传动中，轮齿工作面上的接触线为一斜线，轮齿受载后，如有载荷集中时，就会发生局部折断。
若制造或安装不良或轴的弯曲变形过大，轮齿局部受载过大时，即使是直齿圆柱齿轮，也会发生局部折断。
为了提高齿轮的抗折断能力，可采取下列措施：1）用增加齿根过渡圆角半径及消除加工刀痕的方法来减小齿根应力集中；2）增大轴及支承的刚性，使轮齿接触线上受载较为均匀；3）采用合适的热处理方法使齿芯材料具有足够的韧性；4）采用喷丸、滚压等工艺措施对齿根表层进行强化处理。
2、齿面磨损在齿轮传动中，齿面随着工作条件的不同会出现不同的磨损形式。
例如当啮合齿面间落入磨料性物质（如砂粒、铁屑等）时，齿面即被逐渐磨损而至报废。
这种磨损称为磨粒磨损。
它是开式齿轮传动的主要形式之一。
改用闭式齿轮传动是避免齿面磨粒磨损最有效的方法3、齿面点蚀蚀是齿面疲劳损伤的现象之一。
在润滑良好的闭式齿轮传动中，常见的齿面失效形式多为点蚀。
所谓点蚀就是齿面材料变化着的接触应力作用下，由于疲劳而产生的麻点状损伤现象。
齿面上最初出现的点蚀仅为针尖大小的麻点，如工作条件未加改善，麻点就会逐渐扩大，甚至数点连成一片，最后形成了明显的齿面损伤。
轮齿的失效形式
例10.1 轮齿的失效形式有哪些？闭式和开式传动的失效形式有哪些不同？ 答 轮齿的主要失效形式有轮齿折断和齿面损坏两类。
轮齿折断有疲劳折断和过载折断两种形式。
齿面失效主要有疲劳点蚀、磨损、胶合和塑性变形。
一般情况下，若设计正确、润滑良好，闭式软齿面轮齿的主要失效形式是疲劳点蚀。
闭式硬齿面的主要失效形式是弯曲疲劳折断。
高速大功率闭式传动主要出现点蚀和胶合。
开式齿轮传动的主要失效形式是磨损。
例10.2 齿轮传动中为何两轮齿面要有一定的硬度差？答 齿轮传动中，小齿轮齿面硬度比大齿轮大一些、一般要大。
这是由于：① 小齿轮的齿根厚度小于大齿轮；② 若软硬齿面配对啮合，因冷作硬化，可提高齿面的接触疲劳强度； ③ 小齿轮的应力循环次数比的大齿轮多； ④ 提高啮合性能。
例10.3 要提高轮齿的抗弯疲劳强度和齿面抗点蚀能力有哪些可能的措施？ 答 提高轮齿的抗弯疲劳强度的措施有：增大齿根过渡圆角半径，消除加工刀痕，可降低齿根应力集中；增大轴和支承的刚度，可减小齿面局部受载；采取合适的热处理方法使轮芯部具有足够繁荣韧性；在齿根部进行喷丸、滚压等表面强度处理，降低齿轮表面粗糙度；齿轮采用正变位等。
提高齿面抗点蚀能力的措施有：提高齿面硬度；降低表面粗糙度；增大润滑油粘度；提高加工、安装精度以减小动载荷；在许可范围内采取较大变位系数的正传动，可增大齿轮传动的综合曲率半径。
例10.4 设计铣床的圆柱齿轮传动，已确定7.5P KW =, 11450min n r =,126z =, 254z =, 寿命12000h L h =，小齿轮相对其轴的支承为不对称布置。
解 （1） 选择轮齿的材料和精度等级。
由教材表10—1可知，大小齿轮材料均为45号钢调质。
小齿轮齿面硬度为250HBS ，大齿轮齿面硬度为220HBS 。
（2）按齿面接触疲劳强度设计。
1）小齿轮传递的转矩661117.59.55109.5510493971450P T N mm n =⨯=⨯⨯=⋅ 2）初选载荷系数：初选 1.8t K =3）确定齿宽系数：小齿轮作不对称布置，据教材表10—7选取 1.0d ϕ= 4）确定弹性影响系数：据教材表10—6查得189.8E Z MPa =5）确定区域载荷系数：按标准直齿圆柱齿轮传动设计 2.5H Z = 6）齿数比：2154 2.0826Z u Z === 7）确定接触许用应力：循环次数91160601450112000 1.0410h N n jL ==⨯⨯⨯=⨯ 822606014502654112000 5.0310h N n jL ==⨯⨯⨯⨯=⨯查教材图10—19曲线1得1 1.0HN K = ，2 1.05HN K = 查教材图10—21（d ）得lim1600H MPa σ= ， l i m 2570H MPa σ=取安全系数 1.0H S =[]1lim11 1.06006001.0HN H H H K MPa S σσ⨯=== []2lim22 1.055705991.0HN H H H K MPa S σσ⨯===8）由接触强度计算小齿轮的分度圆直径[]2213311 1.849397 2.081189.82.32 2.3254.91.0 2.08599E t d H KT Z u d mm u ϕσ⎛⎫+⨯+⎛⎫≥⋅=⋅= ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ 9）验算载荷系数：齿轮的使用系数：载荷状况以轻微冲击为依据查教材表10—2得 1.25A K = 齿轮的圆周速度113.1454.914504.2601000601000t d n v m s π⨯⨯===⨯⨯由教材图10—8查得： 1.12V K =对于软齿面齿轮，假设100A t K F b N mm <，由教材表10—3查得：1.2H F K K αα==齿宽：1 1.054.954.9d t b d ϕ==⨯= 齿宽与齿高比1154.911.52.25 2.25 2.2554.926t t b b b h m d z ====⨯由教材表10—4查得 1.32H K β=，由教材图10—13查得： 1.28F K β= 接触强度载荷系数：1.25 1.12 1.2 1.322.22A V H H K K K K K αβ==⨯⨯⨯=10） 校正直径：331154.9 2.221.858.9t t d d K K mm ===1158.9 2.2726d m mm z === 取标准值 2.5m mm =。
齿轮传动的失效分析)
一般来说，齿轮传动的失效主要发生在轮齿上。
轮齿部分的失效形式分为两大类：轮齿折断，齿面失效。
1. 轮齿折断折断失效通常有轮齿的弯曲疲劳折断、过载折断和随机折断。
•疲劳折断：工作时轮齿反复受载，使得齿根处产生疲劳裂纹，并逐步扩展以至轮齿折断的失效。
疲劳裂纹多起源于齿根受拉的一侧。
•过载折断：齿轮受到突然过载，或经严重磨损后齿厚减薄时，轮齿会发生过载折断。
•随机折断：通常是指由于轮齿缺陷、点蚀或其它应力集中源在轮齿某部位形成过高应力集中而引起轮齿折断。
断裂部位随缺陷或过高有害残余应力的位置而定，与齿根圆角半径无关。
•轮齿折断的形式有整体折断和局部折断。
整体折断多发生于直齿轮，局部折断多发生于斜齿和人字齿轮，齿宽较大的直齿轮和由于安装、制造因素使得局部受载过大的直齿轮，也可能发生局部折断。
疲劳折断的断口较光滑，过载折断的断口则较粗糙。
•增大齿根过渡圆角半径，减小齿面粗糙度，对齿根进行喷丸或碾压强化处理消除该处的加工刀痕，选用韧性较好的材料，采用合理的变位等，均有助于提高轮齿的抗折断能力。
•通常，轮齿疲劳折断是闭式硬齿面齿轮传动的主要失效形式。
2. 齿面失效齿面失效常见的失效形式有：点蚀、胶合、齿面磨损和齿面塑性变形。
(1) 点蚀齿轮在啮合过程中，相互接触的齿面受到周期性变化的接触应力的作用。
若齿面接触应力超出材料的接触疲劳极限时，在载荷的多次重复作用下，齿面会产生细微的疲劳裂纹；封闭在裂纹中的润滑油的挤压作用使裂纹扩大，最后导致表层小片状剥落而形成麻点，这种疲劳磨损现象，齿轮传动中称为点蚀（图9.3-13）。
节线靠近齿根的部位最先产生点蚀。
润滑油的粘度对点蚀的扩展影响很大，点蚀将影响传动的平稳性并产生冲击、振动和噪音，引起传动失效。
•点蚀又分为收敛性点蚀和扩展性点蚀。
收敛性点蚀指新齿轮在短期工作后出现点蚀痕迹，继续工作后不再发展或反而消失的点蚀现象。
收敛性点蚀只发生在软齿面上，一般对齿轮工作影响不大。
齿轮失效常见的形式及预防措施
1.5 塑性变形齿⾯塑性变形主要出现在低速重载、频繁启动和过载的场合。
当齿⾯的⼯作应⼒超过材料的屈服极限时，齿⾯产⽣塑性流动，从⽽引起主动轮齿⾯节线处产⽣凹槽，从动轮出现凸脊。
此失效多发⽣在⾮硬⾯轮齿上，齿轮的齿形严重变形，特别是左右不对称时应更换新件。
上⾯阐述的⼏种主要轮齿失效形式，在⼀般情况下，不仅可以修复，且在不能改变齿轮材料、加⼯⼯艺的条件下通过提前预防来延迟齿轮失效不利情况的发⽣，提⾼齿轮使⽤寿命。
2、预防齿轮失效措施2.1 提⾼齿轮安装精度2.2 合理选材齿轮材料的选择，要根据强度、韧性和⼯艺性能要求，综合考虑。
结合我国实际，宜选⽤低碳合⾦渗碳钢。
对于承受重载和冲击载荷的齿轮，采⽤以Ni-Cr和Ni-Cr-Mo合⾦渗碳钢为主的钢材；对于负载⽐较稳定或功率较⼩，模数较⼩的齿轮，亦可选⽤⽆Ni的Ni-Mn钢。
⽤这种钢材制造的齿轮与普通电炉钢制造的齿轮相⽐，其接触和弯曲疲劳寿命可提⾼3-5倍，齿轮极限载荷可提⾼15%-20%。
2.3 热处理通过热处理⼯艺，可以改善齿轮材质，适当提⾼硬度，消除或减轻齿⾯的局部过载，提⾼齿⾯的抗剥落能⼒。
例，对煤矿机械中的齿轮，深层渗碳淬⽕，可减⼩齿轮硬化，提⾼芯部硬度，较⼩的过渡区残余拉应⼒和充⾜的硬化层深度。
2.4 根据实际情况选择齿轮油据资料显⽰，机械故障的34.4%源于润滑不⾜，19.6%源于润滑不当，换句话说，以54%的机械故障是由于润滑问题所致。
因此，选择好的齿轮油对提⾼齿轮使⽤寿命有重要的意义。
2.5 修复为了确保齿轮的强度和硬度，决定采⽤氩弧焊合⾦焊丝堆焊修复，后⽤磨光机整形处理⽅案，这样焊后的齿轮轮齿少不经热处理达到较⾼的硬度和强度。
通过对齿轮失效形式的分析，可提⾼准确判别设备故障的能⼒，及时解除故障，提⾼经济效益。
齿轮传动的失效形式
③防止措施： 防止措施： a合理润滑 合理润滑 b提高齿面硬度 提高齿面硬度
⑷齿面胶合
①部位：齿面沿相对滑动方向 部位：
1 齿轮传动的失效形式
⑴ 轮齿折断 ⑵ 齿面磨损 ⑶ 齿面点蚀 ⑷ 齿面胶合
⑸ 轮齿塑性变形
⑴轮齿折断
①部位：一般发生在齿根部位 部位：
②原因： 原因： a 轮齿在多次重复载荷作用下，齿根处弯曲拉应力过大，再 轮齿在多次重复载荷作用下，齿根处弯曲拉应力过大， 加上齿根处易应力集中，从而发生疲劳折断。（疲劳折断） 。（疲劳折断 加上齿根处易应力集中，从而发生疲劳折断。（疲劳折断） b 短期过载或过大的冲击载荷作用时齿根静强度不足，或轮 短期过载或过大的冲击载荷作用时齿根静强度不足， 齿磨损后强度削弱正常载荷作用下折断。（过载折断） 。（过载折断 齿磨损后强度削弱正常载荷作用下折断。（过载折断）
⑵面磨损
①部位：工作面 部位：
②原因： 原因： a润滑不良 润滑不良 b磨料落入工作面 磨料落入工作面
防止措施： ③ 防止措施： a 改开式为闭式 b 改善润滑条件 c 提高齿面硬度 d 减小齿面粗糙度
⑶齿面点蚀
①部位：靠近节线的齿根面上 部位：
②原因： 原因： a 在节线处，一对齿啮合，接触应力大 在节线处，一对齿啮合， b 在节线处，相对滑动速度低、不易形成油膜 在节线处，相对滑动速度低、
③ 提高轮齿抗疲劳断裂能力的措施： 提高轮齿抗疲劳断裂能力的措施： a 适当增大齿根过度圆角半径，消除加度工刀痕，减小 适当增大齿根过度圆角半径，消除加度工刀痕， 应力集中。 应力集中。 b 合理提高齿轮制造精度和安装精度。 合理提高齿轮制造精度和安装精度。 c 正确选择材料和热处理工艺，使轮齿芯部材料具有足 正确选择材料和热处理工艺， 够的韧性。 够的韧性。 d 采取喷丸、滚压等措施强化齿根齿面。 采取喷丸、滚压等措施强化齿根齿面。 e 考虑传动整体，主要指刚度。增大轴及支承的刚度， 考虑传动整体，主要指刚度。增大轴及支承的刚度， 使轮齿接触线上受载较为均匀。 使轮齿接触线上受载较为均匀。
齿轮失效常见的形式总结
齿轮失效常见的形式
1.齿面点蚀
产生原因与现象：脉动循环的接触应力，超过接触应力时产生疲劳裂纹，裂纹扩展导致金属剥落形成小坑（麻点）。
发生部位与场合：靠近节线的齿根面处，闭式传动。
2.齿面磨损
产生原因与现象：铁屑或者灰尘进入，啮合齿面的相对滑动摩擦而产生磨损，齿形变廋。
发生场合：开式传动。
3.齿面胶合
产生原因与现象：高速重载时散热不好，高速重载时，压力过大，使油膜破坏，低速重载时，不易形成油膜或者局部偏载，造成冷胶合；金属齿面金属直接接触粘接，较软齿面金属沿滑动方向撕下形成沟纹。
发生场合：低速、高速重载齿轮。
4.齿面塑形变形
产生原因与现象：较软齿面的齿轮在频繁启动和严重过载，齿面的工作应力超过材料的屈服极限时，齿轮油膜被破坏，齿面很大的压力和摩擦力的作用使齿轮金属局部塑形变形。
发生场合：较软齿面的齿轮频繁启动与严重过载。
5.轮齿折断
产生原因与现象：疲劳断裂、过载折断、随机折断;
疲劳折断:齿轮在工作过程中，齿根处产生的弯曲应力最大并且集中，当轮齿重复受载后，齿根圆角处就会产生疲劳裂纹，并逐步扩展，致使轮齿疲劳折断轮齿。
过载折断：因短时过载或冲击过载而产生的折断。
发生场合：开式齿轮传动和硬齿面闭式齿轮传动。
发生后果：不能正常转动，甚至造成重大事故。
齿轮的失效形式
齿轮的失效形式齿轮传动是机械设备中最常见的传动方式，现代机械对齿轮传动的要求日益提高，即要求齿轮能在高速、重载、特殊介质等恶劣环境条件下工作，又要求齿轮装置具有较高的平稳性、高可靠性和结构紧凑等良好的工作性能，由此使得齿轮发生故障的因素越来越多，而齿轮异常又是诱发机器故障的重要因素。
因此，齿轮故障诊断技术的应用研究是非常重要的。
齿轮由于制造、操作、维护以及齿轮材料、热处理、运行状态等因素不同，产生异常的形式也不同，齿轮常见的故障形式有如下几种：1、齿的断裂齿的断裂分疲劳断裂和过负荷断裂。
疲劳断裂是齿轮重复受载后由于应力集中产生的。
当齿轮副进入啮合状态时，最危险的瞬间是接触点位于齿轮的顶部，此时在齿根部产生的弯曲应力为最大，存在较严重的应力集中，当载荷超过设计值，或者齿轮在周期性交变载荷作用下，经过一定的载荷循环后，齿的根部有可能产生裂纹。
齿轮继续工作，裂纹向根部纵深发展，当裂纹削弱的根部不能承受弯曲应力时，齿就发生断裂。
过负荷断裂是由于机械系统速度的急剧变化，轴系共振，轴承破损，轴的弯曲等原因，使齿轮产生不正常的一端接触，载荷集中到齿面的一端而引起的，其原因主要是由于装配不良，机器运转时存在其他故障问题。
齿的断裂是齿轮最严重的故障，常因此造成设备停机，或者引起机器其他零部件的故障。
2、齿的磨损磨损是指金属的整个齿面上连续不断地损耗，从而在齿面上产生金属的研磨状。
齿轮在啮合过程中，往往在轮齿接触表面上出现材料摩擦损伤的现象。
如果磨损量不影响齿轮在其寿命内应具备的功能的磨损，我们称之为正常磨损，其特征是齿面光滑，没有宏观擦伤，各项公差在允许范围内。
如果由于齿轮用材不当，或在接触面间存在硬质颗粒，以及润滑油供应不足或不清洁，往往以其齿轮的早期磨损，有微小的颗粒分离出来，接触表面发生尺寸变化，严重损失，并使齿形改变，齿厚边薄，甚至出现“刀片”状齿尖；啮合间隙增大；噪声增大；严重磨损的结果将导致齿轮失效。
齿轮零件常见失效形式
齿轮零件常见失效形式齿轮常见的失效形式有四种：齿面磨损、齿面疲劳、轮齿断裂、齿面塑性变形。
(1)齿面磨损齿轮传动中润滑不良、润滑油不洁等均可造成磨损或划痕。
磨损可分为磨粒磨损、划痕、腐蚀磨损和胶合等。
①磨粒磨损与划痕：当润滑油不洁，含有杂质颗粒，或在开式齿轮传动中的外来砂粒，或在摩擦过程中产生的金属磨屑，都可以产生磨粒磨损与划痕。
这些外界的硬质微粒，开始先嵌入一个工作表面，然后以微量切削的形式，从另一个工作表面挖去金属的细小微粒或在塑性流动下引起变形。
通常情况下齿顶、齿根部摩擦较节圆部严重，这是因为啮合过程中节圆处为滚动接触，而齿顶、齿根处为滑动接触。
②腐蚀磨损：由于润滑油中的一些化学物质如酸、碱或水等污染物与齿面发生化学反应造成金属腐蚀而导致齿面损伤。
③烧蚀：烧蚀是由于过载、超高速、润滑不当或不充分引起的齿面剧烈磨损，由磨损引起局部高温，这种温度升高足以引起色变和过时效，或使钢的几微米厚度表面层重新粹火，出现白层。
④齿面胶合：大功率软齿面或高速重载的齿轮传动，当润滑条件不良时产生齿面胶合现象，一个齿面上的部分材料胶合到另一齿面上，因而在此齿面上留下坑穴，在后续的啮合传动中，这部分胶合上的多余材料很容易造成其他齿面的擦伤沟痕，形成恶性循环。
(2)齿面疲劳所谓的齿面疲劳主要包括齿面点蚀与剥落，是由于材料的疲劳引起的。
当工作表面承受交变应力的作用时，会在齿面引起微观疲劳裂纹，润滑油进入裂纹后，由于啮合过程可能先封闭入口然后挤压，微观疲劳裂纹内的润滑油在高压下使裂纹扩展，结果小块金属从齿面上脱落留下一个小坑，形成点蚀。
如果表面的疲劳裂纹扩展较深、较远或一系列小坑由于坑间材料失效时连接起来，造成大面积或大块金属脱落，这种现象则称为剥落。
实验表明，在闭式齿轮传动中，点蚀是非常普遍的破坏形式，在开式齿轮传动中，由于润滑不够充分以及进入污物的可能性增多，磨粒磨损总是先于点蚀磨损。
(3)轮齿断裂齿轮副在啮合传动时，主动轮的作用力和从动轮的反作用力都是通过接触点分别作用在对方的轮齿上，危险的情况下是接触点某一瞬间位于轮齿的齿顶部，此时轮齿如同一个悬臂梁，受载后齿根处产生的弯曲应力为最大，若因突然过载或冲击过载，很容易在齿根部产生过负荷断裂，即使不存在冲击过载的受力H况，当轮齿重复受载后，由于应力集中现象，也易产生疲劳裂纹，并逐步扩展，致使轮齿在齿根处产生疲劳断裂。
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引起原因 低速重载、齿面压力过大。 避免措施 减小载荷，减少启动频率。
四、齿面塑性变形 当齿轮的齿面较软，在重载情况下，可能使表层金 属沿着相对滑动方向发生局部的塑性流动，出现塑性变 形。
引起原因
低速重载，齿面压力过大。 避免措施
减小载荷，降低启动频率。
五、轮齿折断
轮齿折断是开式传动和硬齿面闭式传动的主要失 效形式之一。
齿轮轮齿的失效形式
失效——齿轮传动过程中，若轮齿发生折断、 齿面损坏等现象，齿轮失去了正常的工作能力。 一、齿面点蚀
二、齿面磨损
三、齿面胶合
四、齿面塑性变形
五、轮齿折断
一、齿面点蚀
点蚀多发生在靠近节线的齿根面上。
• 引起原因
很小的面接触、循环变化、齿面表层就会
产生细微的疲劳裂纹、微粒剥落下来而形成麻
引起原因 短时意外的严重过载，超过弯曲疲劳极限。 避免措施 选择适当的模数和齿宽，采用合适的材料及热处理 方法，减小表面粗糙度值，降低齿根弯曲应力。
点。
• 避免措施 提高齿面硬度。
二、齿面磨损 齿面磨损是开式齿轮传动的主要失效形式。
ห้องสมุดไป่ตู้
• 引起原因 接触表面间有较大的相对滑对，产生滑动摩擦 。
• 避免措施
提高齿面硬度，降低表面粗糙度，改善润滑条件，
加大模数，尽可能用闭式齿轮传动结构代替开式齿轮传
动结构 。
三、齿面胶合
高速和低速重载的齿轮传动，容易发生齿面胶合。