齿轮传动的失效分析及改善措施
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摘 要：在机械功能效应中机械齿轮停止工作对整个运行过程带来的影响非常大。文章从机械齿轮的传动特性作为起点，提出了在运行的过程中最多见的几种实效的状态，并进行改进。
1 齿轮传动的特点
齿轮的机能传动是通过主动轮在助力从动齿轮的齿槽来实现的，在传动的过程中有以下几个特点：第一，因为齿轮在传递转动的时候是依附齿轮不断推压形成的，因此轮齿的受力方式是齿轮受力；第二，轮齿的受力面任何一个地方在接触轮齿时产生的应力都是从小到大、由无至有、继续从大至小直至归零这么一个过程，其主要受力方式是弯曲应力；第三，运行的过程中，节点的地方只有滚动，另外的齿面都是推动的方式，但是其顶部较根部的运行速度要大很多。
2 常见的齿轮传动失效形式
2.1 轮齿折断
在一般情况下齿轮的折损有以下两种现象，第一种为疲劳而导致的折断：齿轮在进行传动的时候，轮齿的受力就好比悬臂梁，齿根在受载时会出现很大的弯曲应力，在这个时候齿轮运行时会在交变的应力里，但是若保持一会之后齿轮就可能会到疲劳的最高限度，这样齿根圆角的地方就一定会因疲劳导致裂纹，若不断增加应力循环，裂纹也会越来越大，最后的结果就是齿轮会因为疲劳最终破损。第二种就是负载过大折断：运行的时候齿轮当经受重大冲击负荷又或者负载过大，亦或者是在安装时精密度不准使得一部分的齿轮受载这都会使得过载折损。但是和疲劳折损的不同之处在于，负荷太大折断有不固定的断裂位置，而且有粗糙的断面。
如图1所示：
图1 轮齿折断有两种情况
2.2 齿面点蚀
齿轮在运行时接触面在不断产生应力，表面的金属有可见的脱落情况，这样齿面就会失灵，这也就是所谓齿面的点蚀。因为齿轮的节线周围摩擦与应力都比较大，所以一般节线的根部出现点蚀情况最多。进行滚滑运作的时候，滚滑的相接的两个面进行运作的时候因为摩擦过大导致裂纹的出现，齿轮底部因为滚滑运作追越面，在两个齿轮相互滚动的过程中，追越面中的裂缝因为油导致被迫渗入裂纹中，使之越来越大，因为油液受到不断的挤压渗出，所以裂纹里不会出现高压油。齿轮底部的裂纹在逐渐扩大之后就会出现脱落的现象，也就是点蚀。可以参考：累积故障数曲线来进一步理解点蚀的机理。
2.3 齿面磨粒磨损
在度达不到要求的时候或者是在开式的传动模式的时候，灰尘会到啮合区域，导致表面材料的损耗，这种情况也就是轮齿表处的磨粒损耗。出现这种情况的时候，在滑动的方向与速度上会有平行的滑痕。
2.4 齿面塑性变形
轮齿表面在低速超重负荷的情况中，因为滑动产生的摩擦与轮齿表面应力相结合，轮齿的材料将会出现塑性流动，这样的情况也就是所谓的塑性变形。其方向平行与滑动的方向，由于滑动时的摩擦与其方向的节线正好是相反的，因此主动轮的轮齿的表面的变形是出现在齿轮顶部，同时有飞边的现象，而节线周围就会是沟谷，在动轮上是恰恰相反的。
2.5 齿面胶合
齿轮在低速重负荷功率大或者是运转速度过快的情况中，因为轮齿表面的温度太高或轮齿接触面的压力大，使得的油膜破损，造成齿面直接性的接触，这样就会出现干摩擦与半干摩擦。在摩擦的同时，温度也会随之增加，轮齿的一些地方就会有熔焊附在表面，向运作的方向逐渐撕裂，这个时候齿轮的表面会进行移动，这也就是齿面的蛟河。其中就包括冷热两种胶合。
3 齿轮失效的改进措施
3.1 优化设计
最开始可以按照行业的标准，使用CAD或者其他软件挑选齿轮的整体结构并进行强度计算，挑选出最适合的方案；接下来就能够根据有限元与保角映射的方法来计算其齿根的应力，圆角与过渡作用的部分使用半径较大的齿根，在对外部齿轮进行加工的时候利用凸头留磨的滚刀方式，这样会有效的减轻弯曲应力，强度随之增加，其次，进行轮齿的契合形变分析的时候应该将弹力学也考虑到其中，将齿轮顶部修缘与齿面的喷丸技术与其抗疲劳程度进行增强，最后，采用极压强粘度的添加剂轮滑油对其齿轮进行。
3.2 优化选材
就齿轮材料的挑选来说，需要考虑的有强度、韧性与工艺。如今用的最多的是低碳式合金碳钢，其中的碳量相对来说比较少，其渗透与耐磨的性能也加强了，一般挑选冶金好与真空式的精炼钢，由于这类材料的精密度好，相对于其他的材料来说氧、氮的含量较低，其强度与塑性都很好，这样也避免各种情况出现的频率过高。
3.3 优化加工工艺
进行机械加工轮齿的时候，必须将粗、精两种齿轮分开，必须先将滚刀对齿轮进行粗切之后再精滚，其深度必须保持一个百分比，这样才能够达到精准度，其深度的误差必须保持在零左右，进行精滚之后误差在零点零三毫米左右。其精度必须保持在九级之上，其粗糙程度也要按照设计的标准来做。可以在磨齿后再进行振动抛光或者电抛光，来提高表面的粗糙度。利用齿形修缘、齿面修形以及大圆弧齿根等技术，减轻或消除啮合的偏载和干涉，降低齿根应力集中，增大齿轮弹性柔度。对齿形进行适当的诸如剃齿、研齿、磨齿等修饰，可以提高百分之十五到二十五的接触极限应力；对轮齿作纵向修形，比如修齿腹，可以提高齿轮两倍的使用寿命，可以减少约五分之一左右的弯曲应力，还可以降低噪声污染。当切齿刀具的硬度比工件的硬度高两到五倍且有较好的耐磨性及韧性时，所呈现的切削效果最好。通常使用刮削法以及磨削法加工硬齿面的齿轮，齿胚需经过多次切削加工和热处理。
3.4 优化热处理工艺
通常机械齿轮的承载能力不只由表面硬度来决定，它同时还受着表层向芯部过渡区域的剪应力和剪切强度比值大小的影响，该比值不能超过0.55。处理齿轮硬化最好的方法就是深层渗碳淬火，它可以得到充足的硬化层深度、较小的过渡区域残余拉力以及比较高的芯部硬度。通常齿面的含碳量最好控制在0.8%～1%之间，从齿表面到芯部的硬度梯度要缓和。经过回火和淬火的渗碳齿轮其表面硬度要达到HRC58～62之间，要消除齿轮尤其是表层的残余内应力。进一步推广氮碳共渗等新的加工工艺，通常氮的渗入深度不超过0.2毫米，不仅可以产生压应力，还可以硬化表层。与单纯渗碳齿轮相比，采用氮碳共渗工艺所加工的齿轮，其强度极限应力可以提到百分之十三以上，使用寿命延长一倍。在进行热处理加工后，还要做油浴人工时效处理。
3.5 优化工艺
齿轮出现磨损实效的情况与分不开，大多的低速度重载的齿轮的触动应力都很高，因此其齿轮的接触面使用的材料的弹性是非常重要的。另外，在进行齿轮契合的过程中，除切点外其余均为滚滑运动，这一特性与 EHL（弹性流体动力理论）完全相符，与传统 Martin理论相比，EHL 最大的不同是齿轮表层的局部弹性变形量通常比按照刚性边界计算的油膜厚度大出数倍，所以对油膜的压力分布和形状都有着明显的影响。在设计齿轮的参数时可以参照这个规律，按照实际情况选择适用的油。
参考文献
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