齿轮的失效分析.doc

齿轮的失效分析目录一、结构特性及工作状况（一）结构特性（二）齿轮的受力分析二、齿轮的失效形式齿面点蚀（一）齿面点蚀（二）轮齿折断（三）齿面磨损（四）齿面胶合（五）齿面塑形变形三、其他因素对失效的影响（一）材料对齿轮的失效影响（1）锻钢（2）铸钢（3）铸铁（4）非金属材料（二）润滑对齿轮失效的影响（1）温度（2）速度（3）负荷（压力）（4）击负荷（5）齿轮类型（三）设计方面的失误对齿轮失效的影响四、齿轮材料的合理选择预防齿轮失效（一）满足材料的机械性能（二）满足材料的工艺性能（三）材料的经济性要求齿轮的失效分析论文摘要：包括齿轮的受力分析及服役条件，齿轮的失效形式及影响，齿轮材料的合理选择预防齿轮失效关键词：失效分析 齿轮传动引言在机械工程中，齿轮传动应用甚为广泛，齿轮传动是机械传动中一种重要的传动方式，并且往往处于极为重要的部位，因此齿轮的损伤和失效倍受人们的关注。齿轮的失效可分为轮体失效和轮齿失效两大类。由于轮体失效在一般情况下很少出现，因此齿轮的失效通常是指轮齿失效。所谓轮齿失效，就是齿轮在运转过程中，由于某种原因，使轮齿在尺寸、形状或材料性能上发生改变而导致整体设备不能正常工作。一、结构特性及工作状况（一）结构特性齿轮传动具有传动比准确、传动平稳、传递运动工作可靠，传动效率高，结构紧凑，使用寿命比较长等优点。齿轮传动适用范围很广、传递功率从很小到数万千瓦；齿轮直径从小于1mm到10m左右；传动比的范围也很大。所以，齿轮传动得到广泛的应用。按齿轮传动的工作条件可以分为闭式传动、开式传动和半开式传动三种。闭式传动封闭在箱壳内保证良好润滑。开式传动是外漏的，不能保证良好的润滑。半开式传动介于二者之间，大多侵入油池内而上装护罩。齿轮工作条件很复杂。在不同的工作条件下使用的齿轮造成的特征是不同的。根据齿轮的工作特点，在传递功率和运动过程中、齿轮在力的作用下、在齿根产生弯曲应力，齿面产生接触应力，齿面间相对滑动摩擦而产生磨损。有时齿间存在间隙，在齿合过程中还会产生冲击，齿轮的主要失效特征是由于弯曲力矩作用而造成齿的变形和折断，由于接触应力作用而造成的表面疲劳剥落和由于摩擦作用而造成的磨损，由于齿轮工作时所受载荷和转速不同，对于不同材料会造成不同的失效形式。（二）齿轮的受力分析齿轮齿合时表面的法向力Fn对齿根造成弯曲应力，因此必须首先分析各类齿轮法相力Fn的计算方法直齿圆柱齿轮的法相力由图1可知，工作转矩T1由主动小齿轮1的转轴传到被动大齿轮2。与分度d1相切的工作周力为Ft2T1/d1（1-1）式中F1-分度圆的工作圆周力；d1-小齿轮的分度圆直径；T1-小齿轮转矩。主动轮1的F1方向与转动方向相反，而被动轮2则与转向相同。齿处于合时才受载，所以齿上的载荷是变化的（见图1）作用在主动轮齿上的总压力垂直于齿面，即图2中法向力FN，法向力Fn可从圆周力F1求得FnFT/ cos a（1-2）法相力Fn通过节点与基圆相切。a是分度圆端面压力角。二、齿轮的失效形式齿面点蚀（一）齿面点蚀齿轮传动过程中，齿轮接触面上各点的接触应力呈脉动循环变化，经过一段时间后，会由于接触面上金属的疲劳而形成细小的疲劳裂纹，裂纹的扩展造成金属剥落，形成点蚀；（二）轮齿折断最常见的是弯曲疲劳折断、过载折断。轮齿受力后,在齿根部产生的弯曲应力最大,且在齿根过渡圆角处有应力集中。如果轮齿的交变应力超过了材料的疲劳极限,在齿根圆角处将产生疲劳裂纹,随着裂纹不断扩展（三）齿面磨损齿轮啮合传动时，两渐开线齿廓之间存在相对滑动，在载荷作用下，齿面间的灰尘，硬屑粒会引起齿面磨损。严重的磨损将使齿面渐开线齿形失真，齿侧间隙增大，从而产生冲击和噪音，甚至发生齿轮折断。在开式传动中，特别在多灰尘场合，齿面磨损是轮齿失效的主要形式。（四）齿面胶合轮齿的胶合是由于齿面上不平的峰谷在接触时产生局部高压，使其熔焊在一起，而后随着齿齿面上的金属被大量撕脱，工作节线明显暴露出来，正常齿廓被破坏，轮齿就失效了。（五）齿面塑形变形塑性变形失效，是指在重载荷作用下表面会屈服所造成的表面变形。它又可以进一步分为压塌和飞边变形、波纹变形和沟条变形。三、其他因素对失效的影响（一）材料对齿轮的失效影响齿轮的齿面应具有较高的耐磨损、抗点蚀、抗胶合及抗塑性变形的能力，而齿根要有较高的抗折断的能力。因此，对轮齿材料性能的基本要求为：齿面要硬、齿芯要韧。常用的齿轮材料是钢、铸铁和非金属材料。（1）锻钢钢材的韧性好，耐冲击，还可以通过热处理或化学热处理改善其力学性能及提高齿面硬度，故最适应于用来制造齿轮。除尺寸过大（da400600mm）或者是结构形状复杂只宜铸造者外，一般都用锻钢制造齿轮，常用的是含碳量在(0.150.6)%的碳钢或合金钢。制造齿轮的锻钢可分为：软齿面（硬度350HBS）：经热处理后切齿的齿轮所用的锻钢对于强度、速度及精度都要求不高的齿轮，应采用以便于切齿，并使刀具不致迅速磨损变钝。因此，应将齿轮毛坯经过正火（正火）或调质处理后切齿。切制后即为成品。其精度一般为8级，精切时可达7级。这类齿轮制造简便、经济、生产效率高。硬齿面（硬度350HBS）：需进行精加工的齿轮所用的锻钢高速、重载及精密机器（如精密机床、航空发动机）所用的主要齿轮传动，除要求材料性能优良，轮齿具有高强度及齿面具有高硬度（如5865HRC）外，还应进行磨齿等精加工。需精加工的齿轮目前多是先切齿，再做表面硬化处理，最后进行精加工，精度可达5级或4级。这类齿轮精度高，价格较贵，所以热处理方法有表面淬火、滲碳、氮化、软氮化及氰化等。所以材料视具体要求及热处理方法而定。合金钢根据所含金属的成分及性能，可分别使材料的韧性、耐冲击、耐磨及抗胶合的性能等获得提高，也可通过热处理或化学热处理改善材料的力学性能及提高齿面的硬度。所以对于既是高速、重载又要求尺寸小、质量小的航空用齿轮，就都用性能优良的合金钢（如20CrMnTi，20Cr2Ni4A等）来制造。（2）铸钢铸钢的耐磨性及强度均较好，但应经退火及正火处理，必要时也可进行调质。铸钢常用于尺寸较大的齿轮。（3）铸铁灰铸铁性质较脆，抗冲击及耐磨性都较差，但抗胶合及抗点蚀的能力较好。灰铸铁齿轮常用于工作平稳、速度较低、功率不大的场合。（4）非金属材料对高速轻载及精度不高的齿轮传动，为了降低噪声，常用非金属材料（如夹布胶木、尼龙等）做小齿轮，大齿轮仍用钢或铸铁制造。为使大齿轮具有足够的抗磨损及抗点蚀的能力，齿面的硬度应为250350HBS。（二）润滑对齿轮失效的影响（1）温度：温度下降时，润滑油会变稠。温度上升时，则会变稀。因此在低温条件下需要低粘度的润滑油，而在高温条件下则需要厚重的油以防止金属与金属之间的干摩擦。（2）速度：滑动和转动的速度越快，齿轮间挤进润滑剂的时间就越少。同时在高速运作下润滑油更易结块变厚。因此：低速用高粘度（稠油），高速用低粘度油（稀油）。（3）负荷（压力）：高粘度油比稀油更能抵御重负并防止金属与金属之间的碰撞。因此：轻负荷需要低粘度的润滑油，高负荷需要高粘度的润滑油。（4）击负荷：例如由引擎发出的律动力，这就需要比较厚重的油以防油膜的瞬间碎裂而产生的边界润滑，因为只有极少的润滑油可留下。在这种情况下，需要一种含有极压添加剂（）的润滑油。（5）齿轮类型：使用直齿、斜齿、人字齿和伞齿轮副时，滑动和转动会产生有效的油膜形成从而减缓啮合的轮齿间的直接接触。在涡轮涡杆和双曲面齿轮等非平等轴传动装置上，相对滑动运作的方向不利于维持油膜。在这此传动装置上，往往大量出现边界润滑。因此，在涡轮涡杆装置和大偏心量的双曲齿轮传动装置上需要仍为厚重的油。当这些传动装置受到重负和高压时，就要选择具有的高强油膜特性（高粘度）、光滑性、润滑性或甚至极压添加剂的润滑油。（三）设计方面的失误对齿轮失效的影响齿轮装置的设计，技术上要求较高，并且要有一定的经验。因此，由于齿轮设计的失误而造成齿轮失效的事故时有发生，例如：（1）对作用在轮齿上载荷估计不足轮齿上所受的载荷一般可分三部分，即名义载荷，可视为齿轮传递的名义功率。（2）外部动载荷它取决于原动机、从动机的特性、轴和联轴器系统的质量、刚度能及运行状态。（3）内部动载荷，这是由于齿轮本身制造误差、轮齿刚度等因素产生的载荷。通常精确确定轮齿上的载荷是非常困难的较好的办法是进行实测或对传动系统进行全面分析。但是，这种复杂的方法不是处处可以采用的，因此在齿轮设计中，对载荷估计不足是常见的。（4）齿轮装置结构的设计不合理例如轴承安装方式或安装位置不合适，轴或齿轮箱的刚度太差，密封不可靠等，都可能使轮齿失效。（5）确定齿轮参数不合适例如齿轮的模数、齿宽系数、侧隙、顶隙、齿根圆角的形状、齿廓修缘、齿向修形等确定得不合适，从而影响齿轮的寿命。（6）材料选用不合适齿轮材料种类、牌号应根据齿轮的具体使用条件来选定；特别是大小齿轮不同材料的匹配，更值得设计者注意，否则容易引起齿轮失效。（7）润滑系统设计有误齿轮装置的润滑方法、润滑油性能和油量等如果处理不好，可能使齿面产生胶合、过热和过度磨损等失效。（四）热加工方面的失误齿轮材料化学成分和力学性能不合格，内部有缺陷等是诱发齿轮失效的重要原因之一。齿轮材料的热加工是指毛坯的锻造和齿轮的热处理。其常见的失误有：金相组织不良，齿面或齿心硬度不合适，硬化层深度不适当，表面有脱碳和晶界氧化现象，残余应力不良，有热处理裂纹等。四、齿轮材料的合理选择预防齿轮失效齿轮是现代机械中应用最广泛的一种机械传动零件。齿轮传动通过轮齿互相啮合来传递空间任意两轴间的运动和动力，并可以改变运动的形式和速度。齿轮传动使用范围广，传动比恒定，效率较高，使用寿命长。在机械零件产品的设计与制造过程中，不仅要考虑材料的性能能够适应零件的工作条件，使零件经久耐用，而且要求材料有较好的加工工艺性能和经济性，以便提高零件的生产率，降低成本，减少消耗。如果齿轮材料选择不当，则会出现零件的过早损伤，甚至失效。因此如何合理地选择和使用金属材料是一项十分重要的工作。（一）满足材料的机械性能材料的机械性能包括强度、硬度、塑性及韧性等，反映材料在使用过程中所表现出来的特性。齿轮在啮合时齿面接触处有接触应力，齿根部有最大弯曲应力，可能产生齿面或齿体强度失效。齿面各点都有相对滑动，会产生磨损。齿轮主要的失效形式有齿面点蚀、齿面胶合、齿面塑性变形和轮齿折断等。因此要求齿轮材料有高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度，齿面要有足够的硬度和耐磨性，芯部要有一定的强度和韧性。（二）满足材料的工艺性能材料的工艺性能是指材料本身能够适应各种加工工艺要求的能力。齿轮的制造要经过锻造、切削加工和热处理等几种加工，因此选材时要对材料的工艺性能加以注意。一般来说，碳钢的锻造、切削加工等工艺性能较好，其机械性能可以满足一般工作条件的要求。但强度不够高，淬透性较差。而合金钢淬透性好、强度高，但锻造、切削加工性能较差。我们可以通过改变工艺规程、热处理方法等途经来改善材料的工艺性能。（三）材料的经济性要求所谓经济性是指最小的耗费取得最大的经济效益。在满足使用性能的前提下，选用齿轮材料还应注意尽量降低零件的总成本。我们可以从以下几方面考虑：1从材料本身价格来考虑。碳钢和铸铁的价格是比较低廉的，因此在满足零件机械性能的前提下选用碳钢和铸铁，不仅具有较好的加工工艺性能，而且可降低成本。从金属资源和供应情况来看，应尽可能减少材料的进口量及价格昂贵材料的使用量。2从齿轮生产过程的耗费来考虑。首先，采用不同的热处理方法相对加工费用也不一样，其次，通过改进热处理工艺也可以降低成本。第三，所选钢种应尽量少而集中，以便采购和管理。最后，我们还可以通过改进工艺来提高经济效益。致谢本论文的完成，得益于杜老师传授的知识，使本人有了完成论文所要求的知识积累，更得益于选题的确定、论文资料的收集、论文框架的确定、开题报告准备及论文初稿与定稿中对字句的斟酌倾注的大量心血!在这里，还要特别感谢大学三年学习期间给我诸多教诲和帮助的潞安职业技术学院的各位老师给予我