关于机械齿轮传动及传动失效的特性分析

关于机械齿轮传动及传动失效的特性分析

张帅

中国航发哈尔滨东安发动机有限公司 黑龙江省哈尔滨市 150066

摘要：本文综合分析了机械齿轮的基本传动特征及其传动失效常见的形式，针对于机械齿轮实际传动实效问题相关优化措施，进行了深度地分析及研究，以便从根本上了解与掌握机械齿轮的传动与传动失效基本特性，采用有针对性的加工工艺优化措施，更好地控制机械齿轮的传动失效。

关键词：机械齿轮；传动；失效；特性

一、前言
  一般来讲，齿轮自身的轮辐、齿圈与轮毂等其他部分的尺寸和结构都是根据以往的使用和工作经验来进行设定并确定的，所以，其承载能力相对来讲比较强，且在实践过程中也基本不会发生设备失效的情况。因此，所谓的齿轮传统失效，其主要指的就是轮齿出现的失效情况。由于影响轮齿失效形式的因素较多，且不同因素相应的处理方案也带有一定的差异，对此，本文以常见的轮齿失效形式为立足点，就其处理方式进行全面研究分析。

二、机械传动齿轮失效损坏的原因分析
  齿轮运转承载后，齿面相互接触并沿齿高方向滚动和滑动，接触应力使齿面表层内相应产生很大的剪应力，齿面的相对滑动又使滑动前方受压应力，后方受拉应力，齿面又受着拉、压交变应力的作用。除润滑不良、三体（磨粒）磨损、化学腐蚀外，一般来说，若轮齿承受的交变应力超过了材料的疲劳极限或强度极限应力，就会造成上述各种形式的磨损失效。从机械传动齿轮损害的形式分析，其主要为：轮齿折断、齿面胶合、齿面点蚀、齿面塑性变形四种，并主要是由于机械产品设计制造过程中对机械传动齿轮设计和选材不合理、热处理和加工制造不合理、齿轮安装和使用中缺陷的存在所造成的。
  1、设计与选材不合理
  机械齿轮具有着机械类型多、低速重载齿轮的特点，大、重型机械设备的齿轮大多为中、大模数（模数6～20ram），多为低速（6m/s以下）重载传动，由于两传动齿轮之间是高副接触，单位齿宽的载荷值很高（20kN/cm），因此要求齿轮材料相应的应力达到一定的值。在机械设备的实际工况和使用条件上，不仅缺乏专项切实的实验，还缺少着针对性。同时，在部分标准、规范、测试和计算的方法上，还存在不统一和不先进的缺陷。机械传动齿轮在设计上的不合理，某种程度上会导致齿轮选择的不合适，从而影响传动齿轮的使用性能。
  2、热处理和加工制造不合理
  从市场中目前所购买制作的机械传动齿轮分析，它们在某些高精度、高强度机械产品的使用标准尚不达标，此时，对锻造齿轮要求的忽视就导致传动齿轮在使用中气孔的出现。在此基础上，由于传动齿轮在热处理上的质量也没有达标，会导致齿面硬度的不均匀，齿面出现淬火裂纹，在内应力过大的情况下导致齿轮破裂情况的出现。同时，受机械产品工作环境的影响，机械传动齿轮在使用的过程中会渗入不同的物质，如盐渍、碳层、粉尘等，以此造成齿面粗糙度不合格现象的发生，对齿轮的承载能力和使用寿命都会产生严重的不良影响。
  3、安装与使用中存在缺陷
  在生产使用过程中，对机械传动设备的使用性能要求非常强大，但是，目前很多机械设备在配置上都不够完善，机械设备生产的测量仪器的使用经常被忽视，以此导致齿轮在安装的过程中，质量上得不到有效的保证，并且无法满足齿轮安装的标准和要求。机械传动齿轮安装中，安装水平度、平行度和中心距不合格的现象时有发生。同时，在工作比较繁重和机械设备量比较大的情况下，齿轮定期清理和油脂的定期更换工作也极易被忽视，以此导致齿轮中杂质、缺油、漏油和齿轮润滑度不足情况的发生。机械传动齿轮的安装和使用中，这些问题的存在会导致齿轮断裂、胶合、磨损等损坏形式的发生。

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三、传动特征

（1）传动速度比较高。由于机械齿轮在转动的过程中速率比较快，一般情况下转动速度能够达到99%，在一定程度上能够提高工作效率。因此，这也是为什么机械齿轮被广泛运用的原因之一。

（2）在转动的过程中比较稳定。机械齿轮稳定的转动是机械齿轮运行的重点问题，并且也是机械齿轮转动的基本保障。

四、加工工艺
  机加工滚齿时，粗、精滚工序要分开，先用滚刀进行粗切，再用专用滚刀进行精滚齿，保持滚刀精度，用百分表控制切齿深度，切齿深度误差应控制在零位附近，精滚齿滚刀的齿形误差应不大于0.03mm。齿形加工一般要达到9级精度。齿面粗糙度必须达到设计要求，可在磨齿后，进行电抛光或振动抛光，提高表面粗糙度，粗糙度好的齿轮的寿命比粗糙度差的可提高15%~20%。采用齿面修形、齿形修缘和挖根大圆弧（大圆弧齿根）新技术（包括倒角、磨光、修圆），能消除或减轻啮合干涉和偏载，提高齿轮的承载能力，使齿根应力集中降低，齿轮的弹性柔度增大。对齿形进行修饰（磨齿、剃齿、研齿），齿轮的接触极限应力可提高15%~25%。对齿作纵向修形（修齿腹），齿轮的寿命可提高2倍，弯曲应力可减少17%~23%，并可降低噪声。当切齿刀具的硬度大于工件硬度的2~5倍以上，并有较好的韧性和耐磨性时，切削效果较好。硬齿面齿轮常采用磨削法和刮削法加工，齿胚经多次热处理和切削加工。

  五、热处理
  机械齿轮的承载能力不仅取决于表面硬度，还取决于表层向芯部过渡区的剪应力与剪切强度的比值，它不能大于0.55。深层渗碳淬火是这种齿轮硬化处理最理想的方法，它可以得到高的芯部硬度，较小的过渡区残余拉应力和充足的硬化层深度。齿面含碳量一般控制在0.8%~1%为宜，由齿表面到芯部的硬度梯度要缓和。渗碳齿轮经过淬火和回火，表面硬度应达到HRC58~62，要消除齿轮特别是表层的残余内应力。推广碳、氮共渗新工艺，氮的渗入深度一般控制在0.2mm以内，它不但能硬化表层，还能产生压应力，可比单纯渗碳齿轮的强度极限应力提高13%以上，寿命可提高1倍。热处理后，尚需进行油浴人工时效处理。
  六、表面强化处理
  对齿面和齿根进行喷丸强化处理，通常是齿轮加工的最后一道工序，可在渗碳淬火或磨齿后进行。它能使齿轮的接触疲劳强度提高30%~50%，使齿根弯曲疲劳强度得到改善；能有效阻止裂纹扩展，使实际载荷比外加载荷小得多；能有效抵抗破坏性冲击，减少点蚀，增大耐久极限；有利于齿轮润滑的改善；可消除各种切齿加工在齿面留下的连续刀痕以及磨削产生的缺陷（产生残余应力和淬火压应力的释放）。根据国外经验，齿轮喷丸比不喷丸寿命可提高6倍。
  七、正确安装运行
  实践表明，齿轮的安装精度，对齿轮的承载能力、磨损和使用寿命有很大影响。无论是新安装、更换或检修安装，都应做到严格、精细，按照安装技术规范和标准进行，特别是齿轮轴心线的水平度、平行度、中心距、轴承间隙、齿轮侧隙、顶隙、接触区域或轴向窜动量等，必须达到质量标准和技术要求。新齿轮在投运前，应进行充分的跑合。制订运行操作规程，认真执行，严禁违章作业，超负荷运转。按照机械设备制造厂的使用说明书和维护检修规程、标准，进行科学维护管理。定期监测齿轮磨损状况，化验润滑油，开展故障诊断，发现问题及时处理。定期清洗齿轮，更换油脂，保持油量，防止水份、异物混入机械设备内部，改进机械设备密封。

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小结：总而言之，目前齿轮传动装置的性能较为完善，并且运用了各种先进的制造技术，但在冶金要求持续提升的过程中还需要对各项参数及零部件进行调整，不断提升技术水平，使得冶金行业能够进一步得到发展，也能促使设备的性能能够更加完善，本文就对此问题进行了深入探究。
  参考文献
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  [2]王成，魏志饶，崔焕勇.齿轮传动效率测定试验装置的研究进展[J].制造技术与机床，2015（11）：218-219.
  [3]廖少华.齿轮加工技术和装备的发展现状与趋势[J].世界制造技术与装备市场，2014（13）：49-51.

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