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齿轮传动的失效和设计准则
齿轮传动的失效和原因
　　 一般情况下齿轮传动的失效主要发生在轮齿，轮毂、轮辐很少失效，因此轮毂、轮辐部分的尺寸按经验设计。齿轮的失效可分为轮齿整体失效和齿面失效两大类。
　　 1 ．轮齿折断
　　齿轮在工作时，轮齿像悬臂梁一样承受弯矩，在其齿根部分的弯曲应力最大，而且在齿根的过渡圆角处有应力集中，当交变的齿根弯曲应力超过材料的弯曲疲劳极限应力时，由于材料疲劳对拉伸应力比较敏感，在齿根处受拉一侧首先就会产生疲劳裂纹， 随着裂纹的逐渐扩展，致使轮齿发生疲劳折断。而用脆性材料 ( 如铸铁、整体淬火钢等 ) 制成的齿轮，当受到严重短期过载或很大冲击时，轮齿容易发生突然过载折断。 
　　 直齿轮轮齿的折断一般是全齿折断，如图 9 - ２a 所示；斜齿轮和人字齿齿轮，由于接触线倾斜，一般是局部齿折断，如图 9 - ２b 所示。
　　 提高轮齿抗折断能力的措施有：减小齿根应力集中，对齿根表层进行强化处理，采用正变位齿轮传动，增大轴及其支承刚度，采用合适的热处理方式增强轮齿齿芯的韧性。
　　 为避免轮齿折断，设计时要进行轮齿弯曲疲劳强度计算和静弯曲强度计算。

图 9-２ 齿轮的折断
　　2 ．齿面点蚀（表面疲劳磨损）
　　 齿面点蚀是一种齿面接触疲劳破坏，经常发生在润滑良好的闭式齿轮传动中。在变化的接触应力、齿面摩擦力和润滑剂反复作用下，轮齿表层下一定深度产生裂纹，裂纹逐渐发展导致轮齿表面出现疲劳裂纹，疲劳裂纹扩展的结果是使齿面金属脱落而形成麻点状凹坑，这种现象就称为齿面疲劳点蚀。发生点蚀后，齿廓形状遭破坏，齿轮在啮合过程中会产生剧裂的振动，噪音增大，以至于齿轮不能正常工作而使传动失效。实践表明，疲劳点蚀首先出现在齿面节线附近的齿根部分，如图 9 － ３ 所示。

图 9 － ３ 疲劳点蚀
　　提高齿轮的接触疲劳强度的措施：提高齿面硬度、 降低齿面粗糙度、 合理选用润滑油粘度，采用正变位齿轮传动等。设计时为避免齿面点蚀失效，应进行齿面接触疲劳强度计算。
　　 3 ．齿面磨粒磨损
　　 在齿轮传动中，随着工作环境的不同，齿面间存在多种形式的磨损情况。当齿面间落入砂粒、铁屑、非金属物等磨粒性物质时，会发生磨粒磨损。齿面磨损后，齿廓失去正确形状，引起冲击、振动和噪声，磨损严重时，由于齿厚减薄而可能发生轮齿折断如图 9-2 。磨粒磨损是开式齿轮传动的主要失效形式。
　　 提高抗磨料磨损能力的措施：改善密封和润滑条件、在润滑油中加入减摩添加剂、保持润滑油的清洁、提高齿面硬度等。

　图 9-４ 　齿面磨损　　　　　　　　　　　　图 9-５ 　齿面胶合
　　4 ．齿面胶合
　　 互相啮合的轮齿齿面，在一定的温度或压力作用下，发生粘着，随着齿面的相对运动，粘焊金属被撕脱后，齿面上沿滑动方向形成沟痕，这种现象称为胶合。胶合发生在：高速重载齿轮传动中 ( 如航空齿轮传动 ) ，使啮合点处瞬时温度过高，润滑失效， 致使相啮合两齿面金属尖峰直接接触并相互粘连在一起，造成胶合；重载低速齿轮传动中，不易形成油膜，或由于局部偏载使油膜破坏，也会造成胶合。如图 9 － ５ 所示。
　　 胶合发生在齿面相对滑动速度大的齿顶或齿根部位。 齿面一旦出现胶合，不但齿面温度升高，而且齿轮的振动和噪声也增大，导致失效。减缓或防止齿面胶合的方法有：减小模数，降低齿高，降低滑动系数；提高齿面硬度和降低齿面粗糙度；采用齿廓修形，提高传动平稳性；采用抗胶合能力强的齿轮材料和加入极压添加剂的润滑油等。
　　 5 ．塑性变形
　　 塑性变形属于轮齿永久变形，是由于在过大的应力作用下，轮齿材料处于屈服状态而产生的齿面或齿体塑性流动所形成的。齿面塑性变形常发生的齿面材料较软、 低速重载的传动中。当轮齿材料较软，载荷很大时，轮齿在啮合过程中，齿面油膜破坏，摩擦力剧增，而塑性流动方向和齿面所受摩擦力的方向一致，齿面表层的材料就会沿着摩擦力的方向产生塑性变形如图 9 - ６ 。

9 - ６ 　轮齿的塑性变形
　　动轮齿上所受摩擦力是背离节线分别朝向齿顶及齿根作用的，故产生塑性变形后，齿面沿节线处变成凹沟。从动轮齿上所受的摩擦力方向则相反，塑性变形后，齿面沿节线处形成凸棱如图 9 - ７a 、 9-７b 。

(a) 主动轮塑性变形　　　　　　　　　　　 (b) 从动轮塑性变形
图 9 - ７ 　轮齿的塑性变形
　　提高抗塑性变形能力的措施：适当提高齿面硬度，采用粘度高的润滑油，可防止或减轻齿面产生塑性变形。
9.2.2 设计准则
　　齿轮失效形式的分析，为齿轮的设计和制造、使用与维护提供了科学的依据。齿面的硬度和工作条件不同，齿轮的失效形式不同。针对不同的失效形式，应分别建立相应的设计准则，以保证齿轮传动在整个工作寿命期间具有足够的相应的工作能力。按照齿轮热处理后齿面硬度的高低，齿轮传动可分为软齿面齿轮传动 ( 齿面硬度 ≤350HBS) 和硬齿面齿轮传动 ( 齿面硬度＞ 350HBS) 两类。为达到齿轮装置小型化目的，可以提高现有渐开线齿轮的承载推力，各国普遍采用硬齿面技术，以缩小装置的尺寸。
　　 1 ．闭式软齿面齿轮传动
　　 由实践得知，对于润滑良好的闭式软齿面 (HBS≤350) 齿轮传动，其主要失效形式是齿面点蚀，其次是轮齿折断。故常按齿面接触疲劳强度条件进行设计计算，校核齿根弯曲疲劳强度。
　　 2 ．闭式硬齿面齿轮传动　　
　　 对于闭式硬齿面 (HBS ＞ 350) 齿轮传动，其主要失效形式是轮齿折断，一般按齿根弯曲疲劳强度进行设计计算，校核齿面接触疲劳强度。
　　 3 ．开式齿轮传动
　　 开式齿轮传动其主要得失效形式是磨损和轮齿折断，因磨损尚无成熟的计算方法方法及设计数据，目前只能按齿根弯曲疲劳强度设计计算，考虑磨损的影响可将模数加大 9 ％～ 20 ％。
　　 4 ．短期过载和大功率的齿轮传动对有短期过载的齿轮传动，应进行静强度计算。对高速大功率的齿轮传动，应进行抗胶合计算。设计齿轮时，除应满足上述强度条件外，还应考虑诸如经济性、环境污染 ( 主要是振动和噪声 ) 等问题。