齿轮轮齿的失效形式45959
齿轮传动的失效形式和材料齿轮传动的失效形式齿轮传动失去
4.轮辐式齿轮
当齿轮的齿顶圆直径da>400~600mm 时，可采用轮辐式结构。这种结构的 齿轮常用铸钢或铸铁制造。
轮辐式结构
大尺寸齿轮
齿轮传动的润滑
开式或半开式传动 v< 10 m/s的闭式传动 v> 10 m/s的闭式传动
定期人工加油润滑
浸油润滑
喷油润滑
浸油润滑
喷油润滑
第九节 齿轮传动的失效形式和材料
一、齿轮传动的失效形式 齿轮传动失去正常工作能力的现象，称为失效。 轮齿的失效形式有以下五种： 1.轮齿折断 轮齿折断一般发生在齿根部位。齿轮在传递动力时，轮 齿受到弯曲作用，而齿根部分受到的弯曲应力是最大的。
┌全齿折断 (直齿齿根裂纹扩展所至）
1）疲劳（交变载荷反复作用）折断→
3.非金属材料——用于小功率、速度高→低噪音
(三). 常用热处理：
软齿面（齿面硬度≤350HBS）： 正火、调质 两轮材料相同时，采用不同的热处理 硬齿面（齿面硬度＞350HBS）： 低碳钢－渗碳＋淬火 中碳钢－表面淬火
第十二节
1、齿轮轴
齿轮的结构设计
对于直径较小的钢质齿轮，其齿根圆直径df与轴直径相 差很小。可将齿轮与轴制成一体，称为齿轮轴。如 下图
└缺角
(斜齿接触线为斜线)
2）过载（短期严重过载或过大的冲击）折断：铸铁或淬火钢容易发生脆性折 断。
防止轮齿折断的措施：禁止超载使用。保证轮齿弯曲疲劳 强度，增大齿根圆角半径等。
蚀一般发生在靠近齿根的节线附近。
点蚀——轮齿表面有小片金属剥落下来或点状脱落，形成麻点。
齿面点蚀图
3. 齿面磨损
齿轮在传动中，两齿廓都要产生相对滑动，因此两齿面必定会产生 磨损。 磨损有两种：一是跑合，二是磨粒磨损。 油不净→磨料磨损→齿形破坏 →齿根减薄（根部严重）→断齿 防止磨粒磨损的办法有：采用闭式传动，保持良好清洁的润滑，提 高齿面硬度。
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。
齿轮轮齿的失效形式45959
A
2二、齿Biblioteka 磨损1、产生原因及现象： 铁屑、灰层进入，啮合齿面间的相 对滑动摩擦而产生磨损，齿形变瘦
2、发生场合： 开式传动
3、预防措施： 采用闭式传动，提高齿面硬度，减小接触
应力，降低表面粗糙度值，保A 持润滑油的清洁
3
三、齿面胶合
1、产生原因： 高速重载时散热不好，低速重载时，压 力过大，使油膜破坏，金属熔焊在一起而发生胶合。
A
6
第八节 齿轮轮齿的失效形式
一、齿面点蚀
1、产生原因及现象： 脉动偱环的接触应力 →齿面产生微 小裂纹，在齿轮的挤压下润滑油压上升 → 裂纹扩展，小块 金属剥落 → 小坑（麻点）
A
1
2、发生部位： 靠近节线的齿根面处
3、发生场合： 闭式传动 4、预防措施： 提高齿面硬度、降低表面粗糙度值、 合理选择润滑油的粘度及采用正角度变位齿轮传动
2、发生部位： 靠近节线的齿顶面
3、发生场合： 高速、低速重载齿轮
4、预防措施： 适宜的润滑油、提高硬度、减小表面粗糙 度值、采用抗胶合能力强的齿轮材料
A
4
四、齿面塑性变形（飞边）
1、产生原因： 较软齿面的齿轮在频繁起动和严重过载， 由于齿面很大压力和摩擦力的作用使齿
面金属局部塑性变形
2、发生部位： 主动轮形成凹沟，从动轮齿面形成凸棱
3、预防措施： 提高齿面硬度、选用较高粘度的润滑油，
避免频繁起动A和严重过载
5
五、轮齿折断
1、原因： 变载（疲劳、过载）
2、发生后果： 不能正常传动，甚至造成重大事故 3、发生场合： 开式齿轮传动和硬齿面闭式齿轮传动中
4、预防措施： 选择适当的模数和齿宽，采用合适的材料
及热处理工艺，减小齿根处的应力集中。
齿轮传动的失效形式和设计准则
小轮比大轮硬度高: 20~50HBS。 表面淬火、渗碳淬火、渗氮处理后齿面硬度高，属硬
齿面。其承载能力高，但一般需要磨齿。
现象：沿轮齿面滑动方向形成沟痕，甚至咬死。
热胶合
原因： 高压、高速，油膜破裂； 摩擦功耗大； 啮合局部高温，金属直接接触， 齿面焊接； 相对运动，撕裂、涂抹，沟痕
冷胶合
低 速 重 载
防止措施：
1. 采用抗胶合性能好的齿轮材料对，材料相同时，使 大、小齿轮保持一定硬度差。（汽车变速箱中的齿 轮选择20CrMnTi钢） 2. 提高表面硬度和表面质量；
抗折断
二、常用齿轮材料
化学元素
锻钢 常用 齿轮 材料 铸钢
含碳量为0.15 % ~0.6%的碳素钢或合金。 一般齿轮用碳素钢，重要齿轮用合金钢。 耐磨性及强度较好，常用于大尺寸齿轮。
常作为低速、轻载、不太重要的场合的齿轮 材料（灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁）； 非金属材料 适用于高速、轻载、且要求降低噪 声的场合。 石油工业 油井设备 室内的小电机鱼缸里 用的小马达（尼龙）
胶合失效设计方法还不成熟；
参考德国（DIN3990）、中国（GB6413）、美国
（AGMA217.01）标准设计。
§6-2 齿轮材料
两个问题： ① σF ＝ ? ； σH =? ② [σF] ＝? ； [σH] =?
一．对齿轮材料的要求
“外硬”——齿面要硬
“内韧”——齿芯要韧
抗点蚀、抗磨损、 抗胶合、抗塑性流动
齿面塑性变形实例
二、设计准则
工作条件 软齿面 闭式 传动 主要失效
σF≤[σF] σH≤[σH]
设计准则
弯曲疲劳强度 齿面接触疲劳强度
设计方法
按齿面接触疲劳强度设计 按轮齿弯曲疲劳强度校核 分别按轮齿弯曲疲劳强度 和齿面接触疲劳强度设计 ，取两者中的较大模数
齿轮轮齿的失效
五、轮齿折断
产生原因及现象： 变载（疲劳、 过载）
发生场合：开式齿轮传动和硬齿面闭式齿轮传动中
小结： 齿 齿面损伤 轮 失 效 形 式 轮齿折断
齿面点蚀 齿面磨损 齿面胶合 塑性变形
齿轮轮齿的失效形式
齿轮传动过程中，若齿轮发生折断、 齿面损坏等现象，则齿轮失去了正常 的工作能力，称为失效。
主要形式：齿面损伤、轮齿折断
一、齿面点蚀
产生的原因及现象：
发生场合：闭式传动
二、齿面磨损
产生原因及现象： 铁屑、灰层进入，啮合齿面 间的相对滑动摩擦而产生磨 损，齿形变瘦
发生场合：开式传动
三、齿面胶合
产生原因及现象： 高速重载时散热不好，低速重载时，压 过大，使油膜破坏，金属熔焊在一起而发 生胶合。
发生场合：高速、低速重载齿轮
发生部位：靠近节线的齿顶面
四、齿面塑性变形（飞边）
产生原因及现象： 较软齿面的齿轮在频繁起动 和严重过载，由于齿面很大 压力和摩擦力的作用使齿面 金属局部塑性变形
齿轮传动的失效形式及设计准则
齿轮传动的失效形式及设计准则（一）失效形式齿轮传动就装置形式来说，有开式、半开式及闭式之分；就使用情况来说有低速、高速及轻载、重载之别；就齿轮材料的性能及热处理工艺的不同，轮齿有较脆（如经整体淬火、齿面硬度较高的钢齿轮或铸铁齿轮）或较韧（如经调质、常化的优质钢材及合金钢齿轮），齿面有较硬（轮齿工作面的硬度大于350HBS或38HRC，并称为硬齿面齿轮）或较软（轮齿工作面的硬度小于或等于350HBS或38HRC，并称为软齿面齿轮）的差别等。
由于上述条件的不同，齿轮传动也就出现了不同的失效形式。
一般地说，齿轮传动的失效主要是轮齿的失效，而轮齿的失效形式又是多种多样的，这里只就较为常见的轮齿折断和工作面磨损、点蚀,胶合及塑性变形等略作介绍，其余的轮齿失效形式请参看有关标准。
至于齿轮的其它部分（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（见图1 图2 图3）。
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（简称斜齿轮）传动中，轮齿工作面上的接触线为一斜线（参看），轮齿受载后，如有载荷集中时，就会发生局部折断。
图1图2图3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（简称直齿轮），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。
机械基础9.6齿轮材料与结构
三、精度等级的选择
齿轮精度分为1~12级。1级最高，12级最低。常用的是6～9级。
精度等级
直齿圆柱齿轮
圆周速度v m/s 斜齿圆柱齿轮 直齿圆锥齿轮
2）正火 正火能消除内应力，细化晶粒，改善力学性能。正 火后硬度可达170～217HBW。
使配对的大小齿轮寿命相当，小齿轮的齿面硬度比大齿轮的齿面硬 度高出30～50HBS。
（2）硬齿面齿轮（齿面硬度>350HBW） 1）表面淬火 中碳钢及中碳合金钢，如45钢、40Cr、35SiMn等制造的
齿轮，经表面淬火后齿面硬度可达40～55HRC。
4. 齿面胶合
在高速重载传动 中，常因啮合区 温度升高而引起 润滑失效，致使 两齿面金属直接 接触并相互粘连， 当两齿面相对运 动时，较软的齿 面沿滑动方向被 撕下而形成沟纹， 这种现象称为齿 面胶合。
防止办法:采用粘度大或有抗胶合添加剂的润滑油，提高齿面硬度、改善齿面粗糙 度，配对齿轮采用不同的材料，对于高速重载传动还要加强散热措施。
2．溅油润滑 在多级齿轮传动中，可以采用带油轮将油溅到未浸入油池 内的齿轮齿面上。带油齿轮可将油甩到齿轮箱壁上有利于齿 轮传动的散热。
3.喷油润
齿轮圆周速度速度大，齿轮搅油剧烈，不宜采用浸油润滑或飞 溅润滑时，应采用喷油润滑。
讨论题:已知一标准直齿外啮合圆柱齿轮的齿数z1=25， 测得该齿轮的齿顶圆直径为135mm，要求为之配制一
3. 齿面磨损
在齿轮传动中，当齿面间落入尘土、铁屑、砂粒等物质，齿面便被逐渐 磨损，这种磨损称为齿面磨粒磨损。
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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一、齿面点蚀
1、产生原因及现象：脉动偱环的接触应力 →齿面产生微 小裂纹，在齿轮的挤压下润滑油压上升 → 裂纹扩展，小块 金属剥落 → 小坑（麻点）
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2、发生部位：靠近节线的齿根面处
3、发生场合：闭式传动 4、预防措施：提高齿面硬度、降低表面粗糙度值、 合理选择润滑油的粘度及采用正角度变位齿轮传动
3、预防措施：提高齿面硬度、选用较高粘度的润滑油，
避免频繁起动A 和严重过载
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五、轮齿折断
1、原因：变载（疲劳、过载） 2、发生后果：不能正常传动，甚至造成重大事故 3、发生场合：开式齿轮传动和硬齿面闭式齿轮传动中
4、预防措施：选择适当的模数和齿宽，采用合适的材料
及热处理工艺，减小齿根处的应力集中。
2、发生部位：靠近节线的齿顶面
3、发生场合：高速、低速重载齿轮
4、预防措施：适宜的润滑油、提高硬度、减小表面粗糙 度值、采用抗胶合能力强的齿轮材料
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Байду номын сангаас
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四、齿面塑性变形（飞边）
1、产生原因：较软齿面的齿轮在频繁起动和严重过载， 由于齿面很大压力和摩擦力的作用使齿 面金属局部塑性变形
2、发生部位：主动轮形成凹沟，从动轮齿面形成凸棱
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二、齿面磨损
1、产生原因及现象：铁屑、灰层进入，啮合齿面间的相 对滑动摩擦而产生磨损，齿形变瘦
2、发生场合：开式传动
3、预防措施：采用闭式传动，提高齿面硬度，减小接触
应力，降低表面粗糙度值，保A 持润滑油的清洁
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三、齿面胶合
1、产生原因：高速重载时散热不好，低速重载时，压 力过大，使油膜破坏，金属熔焊在一起而发生胶合。