齿轮缺陷简介PPT课件

齿轮失效分析 齿轮失效形式的分类 齿面点蚀 定义 齿面上变化的接触应力如超过了疲劳极限 在表面层将产生疲劳裂纹 裂纹的扩展使表面层小块金属剥落 形成小坑 这种失效现象称为点蚀 局部点蚀 因为齿面有刀痕和微起伏 在啮合时 齿面接触不良 如果局部接触应力过大就要产生点蚀 齿面经充分跑合后 齿面的承载面积增加 齿面应力降低 齿面接触应力降到极限值以下 点蚀就停止了 这种点蚀称为 局限性点蚀 或者 初始点蚀 扩展性点蚀 如果齿面硬度较高 齿面不易跑合 或齿面接触应力较高 则点蚀继续扩展并不停止 在靠近节线的齿根部位点蚀越来越严重 小坑的面积和深度加大 在齿面上所占的范围扩展 在后期 点蚀扩展速度更快 有时甚至整个齿面布满小坑 小坑还可能连成一片 这种点蚀称为 扩展性点蚀 或 破坏性点蚀 tips 一般点蚀占齿宽和齿高的60 以上时 齿轮应立即报废 在出现局限性点蚀时 如发现某些小坑的面积显著的大 且主动齿轮齿根有被磨亮的情况 则预示可能出现扩展性点蚀 片蚀 对于表面渗碳淬火齿轮 因齿面疲劳裂纹常发生于淬硬层与心部交接处 于是当裂纹扩展后 齿面金属成片剥落 与点蚀的外观不同 tips 片蚀比点蚀的范围小 但较深 片蚀多出现于齿顶部分 点蚀特点总结 根据使用中对齿轮的观察和对齿轮及圆辊的试验结果 把点蚀的特点大致归纳如下 1 点蚀是由齿面或者齿面以下很浅处的疲劳裂纹扩展所致 疲劳裂纹与齿面的接触应力和摩擦力有关 2 点蚀是表面层的局部金属剥落 形成的一个蚀坑 剥落层的厚度一般在15 25 左右 直径可由小于1mm到2mm 3 出现点蚀的必要条件是有充分的液体润滑剂 4 点蚀发生于被追越表面 在齿轮上绝大多数发生于齿根靠近节线附近的部位 5 当有严重研磨磨损时 点蚀即停止发展或不出现 6 点蚀最早发生于齿面工作条件最恶劣的部位 如局部齿廓误差 齿面粗糙 严重偏载等等 影响点蚀的主要因素 1 工作情况和载荷性质齿轮传动并不全是连续运转 工作停歇对齿面接触疲劳强度是有利的 工作停歇使润滑油得到冷却而不利于接触疲劳裂纹的扩展 有的试验表明 齿面硬度HB 350的钢制齿轮 短期重复工作条件下的齿面抗点蚀能力 比连续运转可提高1 1 8倍 HB 350时为1 1 3倍 原理 先加一低载应力能提高疲劳强度 这是因为金属受到 锻炼 得到强化的结果 多晶体的金属都有组织不均匀性和晶粒的各向不同性 如果齿面应力超过某些晶粒的屈服极限 则这些斤产生塑性变形 最弱晶粒的塑性变形更严重 塑性变形轻微的晶粒得到强化 塑性变化剧烈的晶粒产生裂纹 当损伤的进展速度超过强化的进展速度 则发生疲劳损坏 反之齿面得到适当强化 2 齿面摩擦和相对运动根据点蚀机理 后续介绍 可知 摩擦力增大 将降低齿面的抗点蚀能力 摩擦力的方向影响接触疲劳裂纹的方向和是否扩展 摩擦系数随滑动速度变化 于是齿面的抗点蚀疲劳强度就与滑动速度有关 3 润滑润滑对齿面点蚀的影响包括润滑油种 粘度 油量及供油方法等 一般来说 在半液体和边界润滑状态 粘度增加可使摩擦系数减小 于是摩擦力降低而接触应力减少 同时 油不易渗入裂缝 所以表面点蚀不易产生 粘度增加 还可以充填粗糙度表面上低洼处 使齿面接触承压区加大而降低了接触应力 粘度高的油还可以缓和冲击震动 降低附加动载荷 应用高粘度的油在实际中往往受到限制 例如 在冷却状态下启动齿轮 齿轮搅油 齿轮挤油的功率损失随粘度增高而增加 粘度高的油不易布满齿面等等 油量的多少与供油方法有关 对于浴油和喷油两种供油方法进行对比试验 喷油的润滑效果比浴油好 但抗点蚀能力比浴油差11 20 左右 但对于高速齿轮 为了保证充分的供油量 则必须采用喷油法 4 齿轮材料和齿面硬度 1 材料种类 牌号和机械性质不同 其接触疲劳强度也不同 主要取决于化学成分和金相组织 2 提高齿面硬度可以增加齿面抗点蚀能力 3 根据实验表明 不同材料其表面硬度虽相同 但是接触疲劳强度却不同 也就是材料化学成分不同 齿面强度也不同 4 相啮合齿面的硬度配对关系也影响着齿面的接触疲劳强度 一对相啮合的齿面必须有硬度差 即小齿轮齿面硬度应高于大齿轮齿面硬度 5 齿面光洁度和加工精度齿轮的加工方法不同 齿轮精度和齿面光洁度也不同 齿面的刀痕或磨痕使齿面的接触面积减小和形成齿面的应力集中 造成实际接触应力的增大 齿面越粗糙越容易出现点蚀 若齿面的微起伏 在齿轮运转过程中始终比较大 则对扩展性点蚀有促进作用 提高齿面光洁度和加工及安装精度 虽然齿面的抗点蚀能力提高 但是很不经济 所以在确定最经济的光洁度和精度后 可以用跑合的方式提高表面光洁度和接触精度 具体方法有 干跑合 跑合剂跑合 电火花跑合 化学跑合等等 6 齿轮传动的啮合几何参数及齿形为了减小单位接触线长度上的载荷 可以增加接触线的总长度 即增加重迭系数 例如常采用变位齿轮传动 利用大的高变位 可以得到节点位于两组齿啮合区的齿轮传动 其接触应力比未变位的约降低1 4倍左右 斜齿轮利用高变位还可以得到节点在啮合线工作段之外的传动 由于极易发生点蚀的节点部位不处于工作区 所以齿面抗点蚀能力可大大提高 用大压力角的齿形也可以提高齿面接触疲劳强度 齿面胶合 胶合的齿面上有人眼可见的节瘤 峰岗 刮痕或沟槽等 并且一个齿轮的齿面的金属焊粘到另一个与之啮合的齿面上 齿面常有变色外观 关于胶合程度的分类 1 齿面没有破坏性的擦伤 2 齿面有人眼不易看清的沿滑动方向的擦痕 3 齿面有人眼可见的细的但不深的初始括道 4 齿面有相邻较近的较长的扩展性括道 5 中等程度的刮痕 较宽但不很深 6 强烈的刮痕 宽而深的沟道 这些沟道连成一片 7 严重的刮痕 齿面出现节瘤和沟槽 齿面呈现熔化现象 胶合失效 齿面由正常润滑发展到齿面胶合的三个阶段 1 齿面间的润滑状态由液体动压润滑变为边界润滑 这个阶段齿面间的油膜厚度减低 但未发生胶合 2 由边界润滑变为金属接触 边界油膜的破裂是由于接触齿面发生大的塑性变形或者温度很高 3 两齿面材料发生焊粘 出现明显胶合 产生胶合的条件 1 齿面间的接触 液体动压油膜厚度降低到临界值一下 并且出现边界摩擦 2 边界润滑油膜破裂发生金属直接接触 3 产生纯金属齿面间的熔焊固着 齿面相对滑动造成一齿面的金属转移至与之啮合的另一齿面 造成油膜破裂的原因有 1 齿上载荷或局部载荷过大 2 齿面瞬时温度过高 3 选用了不合适的润滑油 如粘度 油性等 4 不适宜的润滑方法 如给油量不足 供油方式不好 5 齿面滑动速度过高 6 齿面的光洁度不合适 影响胶合失效的主要因素 影响胶合的因素有很多 目前有些因素的规律性还很不清楚 下面简单介绍一些主要影响因素 1 传动形式和啮合几何渐开线螺旋圆柱齿轮的滑动速度很大 并且相对滑动速度是沿齿的长度方向 更不利于油膜的形成 再加它又是点接触 接触压力很大 容易破坏油膜 容易发生胶合 直齿和斜齿的圆柱或圆锥齿轮传动 齿面相对滑动速度方向垂直于接触线 且于混动速度方向重合 有利于油膜的形成 发生胶合的可能性小 内啮合圆柱齿轮传动 因为两齿面为凹凸啮合 特别有利于形成油膜 出现胶合的可能性更小 模数m愈大 齿顶的相对滑动愈大 容易出现胶合 齿顶修缘提高齿面抗胶合能力 因为修缘可以减小基节误差和补偿轮齿变形 因而使同时受载的齿数增多 斜齿轮的螺旋角愈大 抗胶合的能力愈低 这与滑动速度增大有关 2 载荷情况 3 速度齿轮的转速或圆周速度增高时 齿面的滑动速度和滚动速度都增大 滚动速度愈大 齿面间形成油膜的条件愈好 油膜愈厚 齿面就愈不易直接接触 相反地滑动速度增加则摩擦热增加 从而降低了油的粘度和油膜厚度 油膜容易破裂 如何能够取得最优值 仍在试验研究中 4 润滑5 材料和热处理6 温度7 齿面光洁度4 7条阐述过于复杂 不为大家作详细介绍了 齿轮折断 过载折断 大多是操作不当 齿轮传动的设计不佳 齿轮加工装配工艺及材料质量不能满足要求等等原因造成的 疲劳折断 齿轮在变载荷的作用的折断机理是我们这章主要介绍方向 机理 变载荷下载材料内部是同时存在着强化和弱化这一对矛盾的 他们之间一直在斗争和转化 强化的晶粒当由于相邻晶粒的作用或畸变产生的缺陷作用 在一定应力值下也会出现弱化 当应力稍低于或稍高于疲劳极限而应力循环次数少时 强化占压倒优势 成为矛盾的主要方面 这是材料不会发生疲劳损坏 在受外载荷时 最弱晶粒的最弱部分首先出现滑移而得到强化 但经过多次反向塑性变形后 塑性耗尽 变化应力继续作用下 开始松动而弱化 产生了局部的微观裂纹 简单介绍疲劳破坏分为三个阶段 第一阶段 晶粒内部的强化和弱化的选择和争斗 第二阶段 裂纹的发生 发展和衔接 第三阶段 突然断裂 齿轮断裂的断面外观 疲劳破断面有着特殊的外观 破断面一般分为两个部分 1 疲劳断面部分 这一部分是呈现较细晶粒的外观 甚至有的是瓷状结构面或磨光面 2 静强度破断部分 对于软钢和塑性好的材料是一种纤维状结构 而对硬钢 经淬火处理的中碳或合金钢 以及铸铁等 则是一种粗晶粒表面 当应力超过疲劳极限不多时 疲劳裂缝发展较慢 并且在静强度破断之前 齿根经受多次变应力 疲劳部分被长时间的压缩和磨损 此部分就更近于磨光表面 如果应力超过疲劳极限很多 裂纹就扩展的较快 应力循环次数不多就出现静强度破断 于是疲劳破断部分就来不及经充分压缩和磨损 这样在外观结构上两个部分的区别就比较不明显 根据这种区别就可以概括地估计应力的超载情况 疲劳破断部分的表面还有阶梯层状的外观 这是因为疲劳裂纹在扩展上有选择性的原因 当应力超过疲劳极限不多时 疲劳裂纹从一个局部弱金属部分扩展到另一个局部弱金属部分 由于这种选择性的结果 疲劳破断部分的表面就出现不平坦而类似阶梯形的层状外观 由于裂纹表面的挤压磨损 最早形成的疲劳破断部分的表面阶梯被磨挤 此处较平坦 接近静强度破断部分的后期疲劳破断部分的阶梯层状较明显 影响齿轮弯曲疲劳折断的主要因素 1 载荷情况齿轮间的载荷分配 齿上沿接触线的载荷集中 附加动载荷 载荷数值和载荷作用点等全都影响着齿根危险断面的弯矩 应力的分布及数值 齿轮是单侧受载 单向弯曲 还是双侧依次受载 双向弯曲 对弯曲疲劳强度影响很大 对于硬齿面 根据实验结果 如单侧受载的弯曲疲劳承载能力为1 则中间齿轮为2 3 反复正反转的齿轮为2 3 7 8 2 齿形和啮合几何模数大的齿轮由于齿根变厚 它的抗弯强度比模数小的齿轮抗弯强度高 但从整个齿轮和传动来看 模数大的齿轮减小了重迭系数 使分配到每个齿上的载荷和附加动载荷增加 增大了齿根的应力 一般齿宽加大可以增加危险断面的尺寸 降低齿根应力 但是齿宽过大 由于传动系统各零件的变形 制造和安装的误差等等所产生的偏载现象更为严重 斜齿轮的螺旋角对弯曲强度也有增强作用 试验表明螺旋角小于25 时 斜齿的弯曲强度比直齿至少提高30 左右 但螺旋角过大造成轴向力很大 造成齿轮的不利变形 同时还降低了端面重迭系数 此外螺旋角太大 齿的加工精度不易保证 载荷集中也趋于显著 一般螺旋角不大于30 3 材料和强化处理方法各国根据本国情况除了广泛采用碳钢以外 为了提高齿轮传动的工作能力 还采用了不同的合金钢 多用Ni Cr Mo的三元素低合金钢 为了提高齿轮传动的工作能力 常常采用各种热处理或冷作强化处理方法 如我们已知