齿轮可靠性试验的研究

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摘 要：介绍了齿轮可靠性试验、齿轮试验装置的原理及功能，通过对齿轮可靠性试验技术的研究，以满足对齿轮可靠性试验的需求。

关键词：齿轮；疲劳试验；封闭式功率；可靠性

1 概述

齿轮是减速器传动系统中的重要件，对齿轮进行轮齿静强度、疲劳强度、齿面胶合和磨损试验等，以满足齿轮制造可靠性的要求。对改进的齿轮传动系统进行考核：检测在现有设计方法基础上齿轮的可靠性情况，根据试验的结果，对设计参数进行调整，从而获得最佳的设计，提高齿轮的承载能力和寿命。

2 齿轮试验

齿轮试验包括轮齿静强度、疲劳强度、齿面胶合和磨损试验等试验外，还包括一些影响参数的测试，如齿轮动载荷、轮齿载荷分布、齿面及本体温度测试等。

2.1 齿轮试验装置

2.1.1 试验装置的分类

齿轮的可靠性试验一般都在特殊设计的齿轮试验装置上完成。由于试验的目的和要求的不同，齿轮试验装置的加载方法、运转方式和结构式样差别很大，通常分成非运转试验装置和运转式试验装置两种。

非运转式齿轮试验装置包括静态加载的轮齿弯曲静强度试验装置和脉动加载的轮齿弯曲静强度试验装置。

（1）静态加载的轮齿弯曲静强度试验装置。齿轮承受短期过载时的抗弯曲能力，就是齿轮的弯曲静强度。试验齿轮的弯曲静强度的极限值，通常可以在通用的材料拉压试验机上完成。

（2）脉动加载的轮齿弯曲静强度试验装置。在这种试验装置中，试验齿轮处于静止状态，而压在轮齿上的压头则作脉动循环加载，从而在某一循环次数下使轮齿产生疲劳折断。这种试验虽然不能反映出齿轮啮合过程中的某些动态特性，但却能很好地适用于单参数的快速对比性试验，用以判断不同载荷、材料、齿形和其他一些因素对轮齿弯曲疲劳强度的影响。对于一些软齿面齿轮，在正常的模数取值下，由于其接触疲劳强度都低于弯曲疲劳强度，在运转试验中不易出现弯曲疲劳失效，因此用脉动加载弯曲疲劳试验来确定其弯曲疲劳强度极限。

运转式试验装置能使齿轮副在一定转速下进行试验的装置。这种试验装置又可根据试验功率的情况分为：功率流开放式、功率流封闭式和功率流半封闭式三类。

2.2 齿轮疲劳强度试验

齿轮疲劳强度试验主要是指齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳试验强度。试验齿轮处于运转状态或脉动加载状态，齿轮的断裂和齿面损坏（点蚀、剥落等）是试验达到的终止状态。

2.2.1 机械功率全封闭齿轮接触疲劳强度装置

（1）试验装置的组成。试验装置（如图1）包括试验齿轮箱、配试齿轮箱、电动机、弹性联轴器、加载器、固定联轴器、弹性扭力轴、控制柜、二次仪表、转速转矩传感器、热电偶、油温指示器、涡轮减速器和机械计数器组成一个机械封闭系统。

（2）试验装置的原理。传感器可测得封闭系统的转矩和转速，并通过二次仪表显示出来；热电偶和油温指示器用来测量和显示两个齿轮箱的油温变化；机械计数器记录试验齿轮的转数，试验装置的全部操纵系统集中在控制柜上。

利用加扭器给两端轴一相对扭矩，则封闭系统内弹性扭力轴和其他零件就会产生弹性扭转变形。只要加载器保证扭转变形能保持不变，那么封闭系统内的扭矩就不会变化。封闭系统加载后，再启动电动机，试验装置进入运转状态，这时，试验齿轮箱和陪试齿轮箱都传递一定的功率P，称之为封闭功率。封闭功率和普通功率一样具有流向，如图1所示，P功率封闭流向为顺时针流向，但此封闭功率并非有效功率，它是封闭系统中平衡内力的转矩和转速的乘积。封闭功率的优点是它可以循环利用，电动机供给的能量仅用来克服封闭系统中各零件运转时的摩擦损失，其值只有封闭功率值的10%～15%左右，所以达到节能的目的。

（3）封闭功率的计算。试验器运转时的封闭功率流为顺时针方向，则各轴传递的封闭功率为

2.2.2 加载器。在机械功率封闭型齿轮试验装置中，加载器是很重要的部件，这是因为加载器用来保证封闭系统的加载的平稳性、稳定性、机动性。它的性能的优劣直接影响试验装置的技术经济指标。加载器分为内力型加载器和外力型加载器等。

（1）内力型加载器的特点。这种加载器在运转时，其加载表现为内力，它不与封闭系统外的操纵系统发生联系，因此只能在试验装置静止时加载、卸载，或者依赖加载器旋转时的离心力加载。在不改变转速的稳定运转过程中，内力型加载器是难以改变封闭系统中的加载力矩。

（2）外力型加载器。外力型加载器是在静止状态或运转过程中，通过外力（机械力、液压、气压等）来实现加载的加载器。它的优点是在运转过程中，通过控制系统来实现加载、卸载和变载。缺点是外力型加载器需要在运转时接受外力，因此外力传递线路的接通比较复杂。

这种加载器把试验齿轮和陪试齿轮都变成了加载器的一部分，这样能加大加载扭矩行程角，并使结构紧凑。液压缸的活塞作推拉移动，使高速轴上的两个斜齿轮作轴向移动，从而使封闭系统加载。因此两个小斜齿轮的齿宽要做得大一些。

2.2.3 轮齿失效判据。齿轮经一段时间的负载运转后，可能出现齿面疲劳失效或齿根弯曲疲劳失效。试验中要定期检查、记录损伤的发展情况，只要达到规定的失效判据就可停止试验。轮齿弯曲疲劳试验的轮齿失效判定原则：沿齿根断裂；脉动疲劳试验机的载荷或频率下降5%～10%；轮齿齿根出现可见的疲劳裂纹。

结束语

为了提高齿轮的承载能力和寿命，需要进行齿轮的可靠性试验。也为评估高风险齿轮设计方案提供可靠的试验数据，以确定先进的传动系统的研发和生产。

参考文献

[1]蔡春源.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社.

[2]金以慧.自动化装置与应用[M].北京：清化大学出版.