齿轮传动的润滑

1、2008年全国齿轮传动润滑技术培训和研讨会数据，齿轮传动润滑吴晓灵齿轮工业生产力促进中心全国齿轮工业技术信息网，2008年6月。齿轮传动润滑。首先，概述运动副中摩擦的存在，自从齿轮传动以来，古人就知道用动物脂肪来解决这个问题。然而，在很长的历史时期内，摩擦、磨损和润滑问题一直没有系统化和科学化。当人们设计齿轮传动时，他们通常不考虑润滑油。相反，当使用齿轮时，从维护设备的角度来看，选择润滑剂来润滑齿轮。因此，这种机油选择是盲目的。选择错误的油和使用错误的油的例子并不少见。直到20世纪60年代，摩擦、磨损和润滑才作为一门新学科摩擦学被总结和推广。从摩擦学的角度来看，润滑剂也是一种零件，与一般机械零

2、件相比，它是柔性的。因此，在设计齿轮传动时，应包括齿轮润滑剂的设计。这是齿轮传动设计的新观点和创新。随着齿轮装置向大功率、高性能、小体积方向发展，齿面载荷增加，散热空间减小。为了使齿轮装置达到预期的设计性能，延长其使用寿命，齿轮的润滑变得更加重要。润滑剂不仅可以减少摩擦，提高传动效率，还具有减振、降噪和散热的功能。润滑油是齿轮传动的血液。因此，如何设计润滑油，如何正确合理地选择润滑油是本章的主要内容。齿轮润滑的特点和润滑剂的作用1.1.1一对齿轮的运动是通过一对齿面的啮合运动来实现的，一对啮合齿面的相对运动也包括滚动和滑动。要研究齿轮传递动力的力和变形，必须应用力学知识。齿轮的两个齿面之间有润

3、滑油，这也涉及到流体力学的知识。如果研究润滑剂与齿轮表面相互作用产生的表面膜，就需要物理。因此，在有润滑剂的情况下，必须考虑润滑剂的存在，才能真实、全面地反映齿轮传动的运动学和动力学。包含润滑剂的齿轮设计是一种更全面、更完美的齿轮设计。设计齿轮润滑时，应掌握以下特点。润滑剂是齿轮传动的一个要素。因此，润滑油的物理和化学性质，如粘度、压力-粘度系数、粘度-温度特性以及添加剂的作用是非常重要的。齿轮传动中既有滚动又有滑动，滚动和滑动量随啮合位置而变化，表明齿轮的润滑状态会随时间而变化。齿轮的接触压力很高。例如，轧机主轴承的比压一般为20兆帕，而轧机减速齿轮的比压一般为500 1000兆帕。与滑动轴

4、承相比，渐开线齿轮的诱导曲率较小，形成油楔的条件较差。齿轮的材料特性，尤其是表面粗糙度和硬度，对齿轮的润滑状态有很大影响。齿轮传动的润滑方式直接影响润滑效果，必须引起重视。齿轮的几种主要失效形式，如点蚀、胶合和磨损，与润滑剂有重要关系。1.1.2齿轮润滑剂的功能和性质常用润滑剂包括润滑油和润滑脂。此外，还有固体和气体润滑剂。水也是一种润滑剂，但它不适合作为金属齿轮的润滑剂，因为它对金属有腐蚀作用。由于润滑油应用广泛，本章的润滑设计主要讨论齿轮润滑油的润滑设计。(1)齿轮润滑油的作用(1)减少摩擦如果两个齿面被润滑油膜隔开，金属和金属之间就不会直接接触，干摩擦就变成了液体摩擦。或者由于物理和化学

5、吸附膜的形成而减少摩擦，并避免齿轮点蚀和胶合。散热润滑油可以带走啮合产生的热量，避免齿面损伤防锈润滑剂覆盖齿轮和其他零件的表面，隔绝空气，避免齿轮氧化腐蚀。减少振动、冲击和噪音由于润滑剂的粘性，可以减少齿轮的振动、冲击和噪音。清除污垢。润滑油可以洗掉齿面上的磨粒和杂质，带走油池或润滑系统中的污垢，保证齿面的清洁度，减少磨损。(2)齿轮润滑剂的主要特性为了发挥上述作用，齿轮润滑剂应具有以下特性。具有适当的粘度和流动性，以适应不同的工作条件。保持一定的承载能力，耐磨性好。氧化稳定性好，不氧化、不粘、不变质、不堵塞。抗乳化性。在水中工作的齿轮，要求使用抗乳化性好、油水分离好的润滑油。由于润滑油中的极

6、压添加剂、基础油中的极性物质或油中的氧化物都是表面活性物质，当水混入油中时，上述表面活性物质起乳化作用。抗泡沫性能。良好的防气泡性能使混入油中的空气顺利逸出，否则，油中的气泡会使摩擦面供油不足，造成磨损或胶合。在循环润滑系统中，抗泡沫性能差的油会减少油流，降低散热效果。防锈性。防锈主要是保护齿轮齿面不生锈。耐腐蚀性。润滑剂的腐蚀性主要来自油中的酸性物质，这些物质对金属有腐蚀性。因此，齿轮润滑剂应具有良好的耐腐蚀性。无毒。润滑剂应该对人体无害，并确保操作人员的安全。1.2齿轮的润滑状态1.2.1油膜厚度的概念常用于描述摩擦学中的润滑状态。特定油膜厚度是齿面间最小油膜厚度与两齿面综合粗糙度的比值。

7、数学表达式为、(1)、其中油膜较厚；hmin的最小油膜厚度。小齿轮和大齿轮的表面粗糙度。油膜厚度与油的性质、齿轮的几何形状、载荷、速度、材料和工作条件有关。油膜的比厚度越大，润滑剂分离两个啮合齿面的趋势就越强。1.2.2近百年来，许多学者对齿轮的润滑状态进行了研究，得到了如图1所示的润滑状态图。在润滑剂润滑的条件下，根据图1，齿轮传动装置具有以下三种润滑状态。(1)边界润滑1时，齿轮传动处于边界润滑状态，齿轮齿面接触表面粗糙度峰值。在边界润滑状态下，润滑油的粘度没有影响，齿面受到添加剂与齿面形成的物理吸附膜或化学反应膜的保护。(2)混合润滑当1 3时，齿轮传动处于混合润滑状态。在混合润滑条件下

8、，摩擦力由粗糙峰和润滑油内摩擦力组成，齿面载荷由油膜和齿面粗糙峰分担。润滑油中需要少量极压添加剂。(3)当全膜润滑大于3时，齿轮传动处于全膜润湿状态(弹性流体动力润滑和流体动力润滑)。在全膜润滑条件下，润滑油膜厚度远大于表面粗糙度，两个运动表面被连续油膜完全隔开。因此，润滑剂的粘度起主导作用，不需要添加剂。当考虑齿轮的弹性变形时，全膜齿轮的润滑状态变为弹性流体动力润滑，其理论分析由英国著名学者邓森完成。该理论考虑了物体的弹性变形和润滑油在高压下的粘度变化。首先用计算机求出数值解，然后导出下列经验公式：(2)其中润滑油的压力粘度系数为，m2/n；0润滑油的动态粘度，Pas；E综合弹性模量，MPa

9、；W 单位齿宽载荷，n/mm；12两个滚轮的相对曲率半径，mm；获胜速度对于齿轮传动，在整个啮合过程中，曲率半径和夹带速度随时间而变化，因此各接触点的油膜厚度不同。作者推导了齿轮啮合全过程中油膜厚度的计算公式，得出以下结论：沿啮合线，相对曲率半径呈抛物线规律变化；沿啮合线，卷吸速度呈线性变化；在理论啮合线的特征点处，最小油膜厚度的理论最大值(hmax)为0，1.3润滑对齿轮传动的影响及其策略1.3.1润滑剂是齿轮设计的一个重要参数。齿轮润滑剂对齿轮传动的影响主要表现在摩擦、磨损、胶合性能、振动、噪声水平、齿轮箱热平衡性能等诸多方面。因此，润滑油的重要参数在齿轮设计中不可忽视。润滑对齿轮传动故障

10、的影响见表1。防止齿轮润滑失效的对策见表2。1.3.2齿轮润滑策略齿轮润滑油的正确选择应采用国内外先进标准或尽可能由设备制造商推荐。例如：JB/T 8831-2001工业封闭齿轮润滑油选择方法；AGMA 250.04工业闭式齿轮传动的润滑；DIN 51509第1部分，齿轮润滑剂的选择。(2)从质量和信誉有保证的制造商处购买润滑油产品的产品。(3)不同类型齿轮选择合理的润滑方式，低速齿轮一般采用油池润滑；喷油润滑通常用于高速齿轮。利用润滑油监测技术、铁谱、光谱等技术对油样中磨粒的信息进行监测和分析，包括形状、颜色、大小、含量等。使用此信息诊断齿轮运动的“健康”状况。1.3.3润滑对齿轮传动的影响

11、对于齿轮传动装置来说，润滑无疑具有重要的意义，它不仅能减少摩擦和磨损，还能起到散热、防锈、减震和降噪等作用。润滑可以提高产品质量，降低生产成本，提高生产效率和产品精度，延长设备使用寿命，保证生产安全等。齿轮润滑剂对齿轮传动的影响主要表现在摩擦、磨损、粘结性能、点蚀、振动、噪声水平、齿轮箱热平衡性能等诸多方面。因此，润滑油的重要参数在齿轮设计中不可忽视。润滑对齿轮传动故障的影响见表3。国家标准GB6413-1986 渐开线圆柱齿轮胶合承载能力计算方法给出了载荷和滑动速度引起的齿面高温引起的润滑油膜裂纹引起的胶合损伤的计算方法和标准规范。本标准采用积分温度法，即以齿面本体温度的积分平均值和加权后各

12、啮合点的瞬时温升之和作为计算出的齿面温度，然后与相同条件下发生胶合时由试验结果或统计结果确定的齿面温度进行比较，来评价设计齿轮的胶合承载能力。胶合计算的安全系数sb必须大于或等于胶合承载能力的最小安全系数SBmin，即公式中的胶合承载能力的安全系数SB计算；SBmin粘结承载能力的最小安全系数，可参考表5选择。sint 齿面胶合失效时的极限积分温度。它通常基于测试结果。测试表明，对于“油-材料”组合，sint是一个常数，不随操作条件而变化。其计算公式为辛=mt1.5重量，；嘿。mt测试齿轮的体温，;flaintT 试验齿轮的整体平均温升，;w材料的焊接系数；int齿区温度，。公式是：int=m

13、 1.5 flaint m-即将啮合时齿面的温度。m可以通过任何合适的精确方法(例如热网络法、精确测量法等)来确定。)，；M=(油0.7flaint) xs油-润滑油的工作温度，；flaintt齿面积点的平均温升是指瞬时温升Fla沿的积分平均值Xs 润滑系数，考虑润滑方式对传热的影响，通过实验得到；油浴润滑：XS=1.0；喷油润滑期间：XS=1.2。当根据GB/T3142-1982 润滑剂承载能力测定法的FZG(A/8.3/90)试验获得油品的承载能力时，被测齿轮的整体平均温升与载荷的关系曲线如图2所示。此时，根据为设计齿轮选择的润滑油的粘度和FZG胶合负荷水平，可以从图2中找到mt和flai

14、ntt的值。图2 FZG(A/8.3/90)测试了体温mt和齿轮的整体平均温升。润滑油的FZG胶合负荷水平作为油品的性能标准，由油品制造商提供。常见油品的FZG粘合负荷水平见表6。影响齿面胶合的因素很多，但润滑在胶合中起着重要作用。以下文章仅分析润滑对涂胶的影响。(1)润滑油粘度对粘接的影响齿轮粘接的极限载荷随着润滑油粘度的增加而增加。日本学者，如付军安田，为此进行了专门的实验研究。表7显示了实验结果。润滑油粘度抗胶合的机理是，当齿轮齿快速接触时，润滑油粘度来不及挤出油，形成所谓的“静压挤压油膜”，以阻止齿面的接近，这在滚动接触中更容易出现。此时，与牙齿表面接触的第一层油是不动的或具有大的粘度

15、。吸附层越厚，润滑效果越好。在某些情况下，当轮齿在一定载荷下接触时，其润滑油的弹性可能占主导地位，即它以弹性抵抗其变形，这通常被称为“松弛效应”。滚动接触时，流体动力油膜可以保持在两个接触面之间，这是这种润滑机制的结果。在“放松”中，时间因素非常重要。在给定的时间内，物质的粘度和弹性取决于“松弛”的程度。如果润滑剂承受最大载荷的时间小于或等于临界“松弛”时间，则润滑剂将以弹性而不是粘度工作，然后油膜将不会被挤出，从而防止金属之间的直接接触，即防止胶合。从上面的描述中，我们还可以解释为什么齿面之间的流体油膜所承受的实际载荷比常规计算的载荷高得多。此外，还必须考虑润滑油在压力下的粘度变化，润滑油的

16、粘度随压力的增加而明显增加。润滑油的这种压力-粘度特性可能对其承载能力有很大影响。例如，有人曾经装载几对齿轮，直到出现疲劳点蚀，但没有润滑油失效的迹象。此时，齿面应力为1750牛顿/平方毫米，油的粘度为40秒(37.8)。其次，润滑油的粘弹性可以缓冲齿轮传动的冲击载荷。例如，汽车后桥双曲线齿轮的冲击载荷约为2800牛顿/平方毫米。在这种巨大的冲击下，润滑油的粘度也是抗胶合的关键因素。(2)润滑油添加剂对齿面结合的影响齿轮油的极压是指齿轮油中的添加剂(极压抗磨剂)在极高的压力、高速和高温下，与齿面上的金属发生化学反应，形成无机膜，从而减缓齿面磨损，防止齿面结合的能力。在重载荷或冲击载荷下形成很强的极压状态，如汽车后桥的准双曲面齿轮，传递数十亿帕的压力，齿面间的滑动速度很高，从而形成很高的瞬时温度(600 800)。一般来说，油性添加剂在100左右会从摩擦表面脱附，不会形成油膜。只有含氯、磷和硫等活性元素的物质才能在较高温度下与金属牙齿表面形成无机保