齿轮故障分析与改进

齿轮故障分析与改进摘要：介绍齿轮的几种常见故障的特征以及处理分析。

在齿轮故障诊断过程中，利用振动和噪声可以解决变速箱中大部分问题。

有时还可以综合应用温度、失效情况等辅助手段来进行诊断分析。

进一步提高齿轮故障诊断的准确性和可靠性。

作者：张炳琨关键词：齿轮故障1前言齿轮传动在各机械设备中应用较为广泛，大多数齿轮零件都是用来传递运动和动力的。

齿轮在工作时一般都承受较大的扭矩和径向载荷。

在加工前应对齿轮零件的结构、功能、技术要求、定位基准和热处理等方面进行分析。

齿轮在工作过程中往往会产生噪声和振动。

根据噪声和振动来诊断齿轮是否失效，从实际工作中及资料统计来看，用噪声和振动来诊断齿轮是否失效约占60%以上。

因此，齿轮箱的故障诊断通常利用此方法进行分析。

齿轮装入齿轮箱内，齿轮啮合是质量的关键。

齿轮的啮合质量主要表现在齿侧间隙和一定的接触面积及正确的接触位置。

此外，箱体孔的加工位置精度、形状精度及相互位置精度等都有着密切的关系。

就齿轮常见故障进行简单的分析和处理。

2齿轮常见故障分析齿轮在运转时,由于齿轮制造误差、装配不当或操作维护不善,会发生各种各样的的齿轮失效。

失效形式又随着齿轮材料、热处理、运转状态等因素的不同而不同。

常见的齿轮传动故障形式有以下几种。

2.1轮齿折断这是齿轮中较常见的问题。

轮齿折断后齿轮箱会有很大的冲击振动和噪声。

轮齿折断一般发生在齿根部分。

因为齿根处的弯曲应力最大，且有应力集中。

就原因而论：受较大的过载或冲击会发生突然断齿；齿轮工作时间较长后，受多次重复弯曲作用轮齿根部发生疲劳，产生裂缝，并逐渐扩大而引起的疲劳折断。

2.2轮齿点蚀轮齿在工作时长时间产生较大的接触应力，当接触应力和重复次数超过一定限度时，轮齿的表面就会产生细微的疲劳裂纹，慢慢渗入润滑油，在经过啮合齿轮的挤压，很快裂纹就会扩展，表面有麻点或小块金属脱落这样继续工作下去，造成工作不平稳和噪声加大，久而久之使齿轮失效。

2.3齿面磨损齿轮在工作中，齿面都会产生一定的磨损，如润滑较好或闭式传动，齿面磨损相对较慢；润滑不好或开式传动中的齿轮，齿面磨损很快。

磨损后的轮齿变形、齿侧间隙增大，容易产生轮齿折断现象，传动的平稳性和扭曲强度明显降低。

2.4轮齿塑性变形齿轮在超载工作时，齿面的压力过大，在力的作用下，使齿面的金属产生塑性流动，失去了原来的齿形当产生塑性变形时，齿面的金属将沿着磨檫力的方向流动。

过载工作是产生塑性变形的重要原因。

2.5齿面胶合。

热胶合和冷胶合是齿面胶合的两种常见形式。

热胶合主要是指在齿轮较高的传动下,啮合的两齿面的实际接触的部分由于金属熔化而粘结在了一起,粘着的金属随齿面的运动而撕落。

冷胶合是指在齿轮较低的传动速度下,在较高的局部压力下,两啮合齿轮表面膜被刺破,因为金属的直接接触而导致齿面粘合。

3齿轮故障的改进根据以上实际情况与理论结合分析来看，齿轮在使用过程中，部分齿轮，尤其是承受载荷较大的齿轮，损坏较严重，就此避免或减少齿轮的损坏，我建议在条件允许的情况下对部分承载较大齿轮进行全面改进。

首先选材要合理，根据实际使用情况，对各项强度系数进行计算，求出允许的极限载荷参数，尽可能在齿轮加工时，增加齿轮根部的厚度，齿轮的宽度，表面粗糙度要适宜，做好热处理，这样可以使它半载运动。

齿轮不易超载疲劳工作；其次选择合理的润滑油，润滑油不宜过多或过少，要定期更换或检查齿轮箱内的润滑油，保持齿轮在较清洁的润滑油中工作。

此外需要提高滚齿生产率，涉及到机床、刀具、切削用量和和工艺方法等，因此这是一个很复杂的问题，现在从几个方面谈一谈提高滚齿生产率的途径：一、提高切削用量：限制走刀量提高的主要因素是加工表面光洁度，机（一）提高走刀量S垂床的刚度和刀齿的负荷。

由于增加走刀量会引起工件表面光洁度恶化，所以多在粗加工时采用大走刀量。

但由于大走刀量切削的切削力及功率都比较大，因此要求滚齿机的机床主轴、滚刀杆等具有足够的刚性，机床要求有足够的功率，所以一般在机床刚度，加工表面光洁度，滚刀刀齿负荷允许的条件下，尽量采用大的走刀量。

（二）提高切削速度V：要提高滚刀的切削速度，除了机床要求足够的功率、刚性外，对刀具的材料提出了新的要求。

对于一般的刀具，当转速提高20%时则其耐用度降低一倍左右。

因此刀具采用新的材料具有特殊的意义。

滚刀常用的材料为高速钢，其采用的切削速度V=20～30米/分。

近年来，我国已开发设计和制造刚度较好和具有自动轴向窜刀机构的高速齿轮机，同时生产了铝高速钢制造的滚刀，滚齿速度可提高到V=100米/分=1.38～2.06毫米/转，此时滚刀的磨损反而比V=60米/分时下以上，走刀量S垂降15%左右，而生产率则提高25%。

国外合金高速钢滚刀的切削用量已由70～80米/分提高到100～150米/分，硬质合金滚刀已经试验到400米/分以上。

为了适应高速滚齿，新型滚齿机的刚性、重量和功率都增大了，因此提高滚齿速度有一定的发展前途。

二、改进滚刀结构（一）采用大直径滚刀：滚刀直径加大，使滚刀的圆周齿数增加，孔径加大，使滚刀刀杆的刚度得到增加，因此采用大直径滚刀，可以选用较大的滚刀切削用量，从而提高生产率。

但是当滚刀直径加大以后，切入长度a将随之增加，(图1)因此用大直径滚刀采用径向切入法，可以缩短切入长度，这样更能有效地缩短滚齿机动时间，最大限度地提高滚齿生产率。

（二）采用多头滚刀：多头滚刀能显著提高滚齿生产率，据某厂统计，采用双头滚刀比单头滚刀可以提高生产率40～60%，采用三头滚刀可以提高生产率70～80%，国外有的工厂已采用5～6头滚刀。

但是多头滚刀由于导程大，螺旋升角大，包络齿面的刀刃少，加工齿形误差增大，光洁度低，因此在用多头滚刀时，必须注意使多头滚刀的头数与被加工齿轮齿数之间互为质数，这样可使齿轮的每个齿槽被滚刀螺旋线的各个头轮流切削，刀刃包络齿面的位置也互相错开，在这种情况下能明显地消除多头滚刀各头分度不准所造成的齿距误差和齿厚误差，被切齿面的棱面也将明显降低。

由于多头滚刀加工出的齿轮精度和光洁度都较差，因此多用于粗切及精度不高的齿轮。

（三）采用正前角滚刀：采用正前角滚刀能改善刀具的切削性能，增加刀具的耐用度，并且消耗功率小。

所以带正前角的滚刀一般能提高滚齿生产率25%左右。

必须注意。

由于滚刀具有正前角，使齿形发生变化，因而只适宜于粗加工，否则刀具齿形必须加以修正。

（四）采用特殊结构的滚刀：1、小压力角滚刀：从齿轮啮合原理中我们知道，对于一定的齿轮，可以有无穷多的形状不同的齿条能和他啮合，只要这些齿条的基圆齿距等于齿轮的基圆齿距，这一啮合原理也适用于齿轮与滚刀的啮合，因此我们采用齿形角较小的滚刀来增大走刀量S 垂而不降低齿形的表面光洁度，一般压力角可取8°～12°之间，压力角过大，优点不显著，压力角过小不好造，一般压力角α=12°时，走刀量S 垂比α=20°提高28%，当α=8°时，刀量S 垂可高57%,所以采用小压力角滚刀来提高滚齿生产率，但是小压力角滚刀不能作为标准滚刀出现，因为小压力角滚刀只适用于切一定齿数范围的齿轮，所以适用于大量或大批生产中加工同一模数齿数变化较小的齿轮。

2、齿高不等的齿轮滚刀：一般标准滚刀切削圆柱齿轮时，最初开始切入工件的刀齿，其切屑又厚又短，而以后刀齿切屑则逐渐变薄变长，由于切屑的变化，每一刀齿的磨损是不均匀的，如果改变滚刀各刀齿的高度，而使每一刀齿切下去的切屑厚度与长度的乘积大致均匀，就可使滚刀的耐用度提高，也就可以增加走刀量S 垂，这种改变各个刀齿高度的滚刀，齿高的分布曲线有直线形的（即锥形）、圆弧形的、椭圆形的和抛物线形的等等，其中以抛物线形的用的较多，这种滚刀称为抛物线形的齿轮滚刀（又名进步式滚刀），它可使每一刀齿切屑厚度大致相等。

这种滚刀的优点是能显著提高走刀量，生产率很高。

当粗加工时，均可提高5～8倍，滚刀磨损情况改善，故可延长刀具使用寿命，并可用同一把滚刀精加工，走刀量可与普通滚刀一样，不需降低。

但是进步式滚刀的刀具是按曲线分布需用靠模进行铲齿，所以设计工艺复杂，并且在使用时需对刀，故安装较麻烦，它只能加工一定齿数范围的齿轮，因此同模数的齿轮就需要好几把滚刀，所以不能作为标准滚刀应用，齿高不等的齿轮滚刀是专用滚刀，只有用于重型机械制作工业中大批量粗加工。

如前所述，机床工作台是关键部件，对于大型机床来说，工作台结构可以自动卸荷及调节工作台运转间隙，以适应由于夹具和工件重量的改变而带来的影响。

除芯轴外，一般滚齿夹具都比较沉重，这就容易磕碰、划伤。

因此在安装夹具前应将工作台面擦净，并检验夹具是否有磕碰、划伤的部位。

非定心的夹具要求端面跳动：在切8级齿轮时＜0.02/200毫米，定心夹具定心部分振摆应＜0.015毫米。

夹具在设计使用方面，应保证平稳、牢靠、不易变形，其支持面应略小于被加工齿轮根径为宜。

对于较大工件，夹具体上要求有能够调节定心用的调整螺钉，以用敲打的方法找正活件，从而可以使机床精度不受损坏。

三、改进加工方法（一）滚齿时以顺铣代替逆铣当滚刀的旋转方向与垂直进给方向相同（即滚刀的旋转方向与工件的进给方向相反）称为逆铣，当滚刀的旋转方向与垂直进给方向相反（即滚刀的旋转方向与工件的进给方向相同）称为顺铣。

根据铣削原理，逆铣时切屑厚度从零开始增大，由于刀齿刃口不是绝对尖锐，刀齿切入金属前要滑过一段距离，才能切入，而且刀齿开始接触工件的地方，正是前一刀齿形成的冷硬层，这时挤压和摩擦都很严重，因此刀齿后面的磨损较大，刀具耐用度和工件表面质量降低。

由于刀齿水平分力随刀齿位置不同而改变其大小和方向，使刀架和立柱之间的配合时松时紧，影响被切齿轮的齿面光洁度。

因此一般逆铣用于齿坯外圆表面很硬时，这时切齿较平稳，当机床走刀机构存在间隙，用逆铣。

此时刀具“压”工件而不是“挑”工件，故振动小，不会使刀齿断裂。

顺铣时切屑的厚度从大到零，刀齿水平分力始终将刀架压向立柱，所以没有逆铣时的缺点，故可以获得较好的刀具耐用度和工件表面质量。

但是顺铣的缺点是：当齿坯外圆表面很硬时，顺铣切削不够平稳，而且刀齿垂直方向力的大小与方向随刀齿位置的不同而改变，因此各刀齿的合力往往将刀架上抬。

如果刀架的丝杠和螺母配合间隙较大，则进给过程中刀架有晃动，容易崩刀，所以滚齿机上大多装有消除丝杠和螺母间隙的配置。

顺铣一般用于滚前齿坯，已消除了硬度影响的，不致使刀齿因突然切入工件时发生振动并用于机床刚度较好，能消除机床走刀机构间隙的滚齿机。

一般顺铣比逆铣走刀量可提高20～30%，切削速度可提高50%左右，滚齿生产率可提高25～30%。

（二）采用对角滚齿滚刀滚齿过程中，不是全部刀齿都参与切削，而是其中的几个刀齿参加切削，并且这些参与切削的刀齿磨损也不均匀，这就影响了滚刀的耐用度和滚齿的生产率。