齿轮失效分析论文分解

毕业论文题目：齿轮的失效分析

姓名：杨新源

学号：2010053105

专业：矿山机电

班级：10-03

指导教师：刘霞

2011年9月20日

目录

目录 (2)

引言 (3)

一、齿轮传动的特点、类型 (3)

二、齿轮传动的基本要求 (4)

三、齿轮的失效形式以及解决措施 (4)

（一）轮齿断齿 (4)

（二）齿面磨损 (5)

（三）齿面点蚀 (6)

（四）齿面胶合 (7)

（五）齿面塑性变形 (7)

四、常规齿轮损伤和失效的主要原因探究 (7)

五、齿轮的常用材料的基本要求 (8)

六、齿轮的常用材料及热处理 (9)

七、小结 (10)

致谢 (11)

参考文献 (12)

摘要：在现代社会工业发展中，齿轮是传动件中应用最广的重要工具，齿轮的类型很多，工况条件较为复杂。因此失效形式及影响因素也较多。尽管如此,从齿轮的基本特征特征产生原因和对策等方面都有其基本规律。并且齿轮失效常发生在轮齿部分，因此运用基本规律对具体齿轮的损伤作用具体分析，便不难查。这对机械传动齿轮质量,延长机械设备的使用寿命,具有非常重要的参考价值.

关键词：磨损失效分析齿轮损伤材料热处理

引言

在机械工程中，齿轮传动应用甚为广泛，齿轮传动是机械传动中一种重要的传动方式，并且往往处于极为重要的部位，因此齿轮的损伤和失效倍受人们的关注。齿轮的失效可分为轮体失效和轮齿失效两大类。由于轮体失效在一般情况下很少出现，因此齿轮的失效通常是指轮齿失效。所谓轮齿失效，就是齿轮在运转过程中，由于某种原因，使轮齿在尺寸、形状或材料性能上发生改变而导致整体设备不能正常工作。

要知道齿轮的失效形式，我们就应该先了解齿轮的传动类型、齿轮的特点、工作环境、只有清楚的知道了它的工作原理，才能更好的分析出它的失效形式

一、齿轮传动的特点、类型

齿轮的传动是目前最重要也是应用最广泛的一种传动形式。与其他机械传动相比。齿轮传动具有以下特点

优点：效率高，传动比稳定，工作可靠，寿命长，结构紧凑；适用的功率和速度范围广；可实现空间任意两轴间的传动。

缺点：制造成本高，安装精度要求高，当齿轮精度低，且速度较大时噪声大；不宜用于中心距较大的传动。

齿轮的传动类型：

（一）按照齿轮的传动比是否恒定，可将齿轮传动分为

1.非圆齿轮传动，（传动比变化）

2.圆形齿轮传动（传动比恒定）两大类，

在这里只研究圆形齿轮。

（二）根据两轴的相对位置和轮齿的方向，可分为以下类型

1.圆柱齿轮传动；

2.锥齿轮传动；

3.交错轴斜齿轮传动。

（三）根据齿轮的工作条件，可分为

1.开式齿轮传动，齿轮暴露在外，不能保证良好的润滑;

2.半开式齿轮传动，齿轮浸入油池，有护罩，但不封闭;

3.闭式齿轮传动，齿轮、轴和轴承等都装在封闭箱体内，润滑条件良好，灰沙不易进入，安装精确，齿轮传动有良好的工作条件，是应用最广泛的齿轮传动。（四）按齿面硬度分

1.软齿面齿轮轮齿工作面的硬度小于或等于350HBS。

2.硬齿面齿轮轮齿工作面的硬度大于350HBS。

（五）按照齿廓曲线形状不同，齿轮传动又可分为

1.渐开线齿轮传动

2.摆线齿轮传动

3.圆弧齿轮传动

二、齿轮传动的基本要求

齿轮在传动过程中应满足两项基本要求

1.传动平稳

即要求齿轮传动时传动比恒定，以尽量减小冲击、震动和噪声。

2.承载能力高

即要求齿轮具有足够的强度和刚度，能传递较大的动力，并有较长的使用寿命和较小的尺寸。

对齿轮传动在设计生产领域中的一切研究，都是围绕上述两个基本要求进行的。

三、齿轮的失效形式以及解决措施

齿轮失效的主要形式有：断齿、磨损、齿面点蚀、齿面胶合和齿面塑性变形等。

（一）轮齿断齿：轮齿折断是一种危险很大的最终失效形式，它可以细分为以下几个

1.过载折断

轮齿受到一次或很少几次严重过载时，就可能发生过载折断。过载折断的断口一般都在齿根部位。断口比较平直，并且具有很粗糙的特征。

2.疲劳折断

轮齿经高循环次数的作用，在齿根产生疲劳裂纹，导致轮齿疲劳折断。疲劳折断的断口分为疲劳断口面和最终（静断）断口面两个不同区域，在疲劳区域内看不到塑性变形重偏载的直齿轮，疲劳折断可能发生在轮齿的端部。3）随机折断轮齿的折断通常发生在齿根部位，但是某些偶然的因素，例如齿面点蚀、剥落。提高轮齿抗折断嫩里的措施很多，如增大齿根圆角半径，消除该处的加工刀痕以减低齿根的应力集中；增大轴及支撑物的刚度以减轻局部的的程度；对轮齿进行喷丸、碾压等冷作处理以提高齿面。

、

（二）齿面磨损

齿轮传动过程中，齿面上的相对滑动肯定会引起磨损；齿面磨损：分为粘着磨损、磨粒磨损、擦伤、腐蚀磨损和烧伤。

1.粘着磨损

润滑对粘着磨损影响很大，如润滑油层完整且有相当厚度就不会发生金属间的接触，也就不会发生磨损。在相同油膜温度和压力下，油的粘度高，有利于防止磨损发生，在低速、重载、极端温度、相对比较粗糙不规则的表面、供油不足和油的粘度太低的情况下，油膜可能被破坏而发生磨损。此时的磨损在除节圆的大部分轮齿面上发生。

在实际中采用提高齿面硬度、降低齿面粗糙度、限制油温、增加油的粘度、选用加有抗交合添加剂的合成润滑油等方法，可以防止交合的产生。

2.磨粒磨损与擦伤

当润滑剂不干净含有杂质颗粒或在敞开式的吃轮船顶中的外来磨粒，或者在摩擦过程中金属相互作用产生的磨屑，都可以产生磨粒磨损。严重的磨粒磨损会产生表面擦伤现象。此时齿根和齿尖磨损的最严重，然而节线区域保持原状，这是因为在节线处主要存在滚动方式的接触，只有很小的或者根本不存在的滑移作用。如果齿轮的对中好，且擦伤又不是由于齿面上孤立的微凸体引起的，那么擦伤会扩展到整个齿宽。

3.腐蚀磨损

由于润滑剂中的一些物质，诸如水和酸等污染物与齿面的化学反应造成金属的腐蚀，这样就形成了腐蚀磨损。活性的极压添加剂也是造成腐蚀磨损的一个原因，特别是齿轮在重载时更是严重；过分过热，极压添加剂将加速腐蚀磨损；零件表面保留一层紧密的热处理造成的氧化物膜对抗腐蚀磨损有利，这种作用甚至在碱溶液洗涤剂去油处理后仍能保持。如果在稀磷酸溶液中进行去游处理，那么氧化物膜变为磷酸锰和磷酸铁镀层，则对抗腐蚀磨损更好。如齿轮在热处理后进行磨削或喷丸处理，则具有活性表面对锈蚀敏感，降低了抗腐蚀磨损性能。

4.烧伤

尽管烧伤本身不是一种磨损形式，但它是由于磨损造成而反过来造成严重的磨损失效和表面变质。烧伤是由于过载、超速或不充分的润滑引起的过分摩擦所产生的局部过热到高温，这种高温足以引起变色和过时效，或使钢的几微米厚表面层重新淬火，出现白层。烧伤还对疲劳性能有不利影响，损伤的表面容易产生疲劳裂纹。

（三）齿面点蚀

齿轮传动过程中，齿轮接触面上各点的接触应力呈脉动循环变化，经过一段时间后，会由于接触面上金属的疲劳而形成细小的疲劳裂纹，裂纹的扩展造成金属剥落，形成点蚀。为防止过早出现点蚀，可采用提高齿面硬度、降低表面粗糙度值、增加润滑油粘度等措施。而对于开始齿轮传动，由于磨损严重，一般不出现点蚀。

（四）齿面胶合

当齿轮在高速、大载荷或润滑失效的情况下，两齿面直接接触形成局部高温，接触区出现较大面积粘连现象，称为胶合。提高齿面硬度和减小粗糙度可增强抗胶合能力，为了防止胶合作用，应适当提高齿面硬度和光洁度，大小齿轮采用不同钢种，低速传动采用粘度大的润滑油（或润滑脂），高速传动时，设法降低油温，并采用活化性润滑油（如硫化油及加有其他化学添加剂的抗胶合润滑油），设计上采取措施提高制造精度和装配质量。

总之，正确选用润滑油和润滑方式使得轮齿啮合区得到充分润滑；合理选择选择润滑油添加剂，主要润滑油的清洁和更换，以改善润滑条件；适当提高齿面硬度和光洁度；以及采用合适的正变位齿轮传动，以降低齿面滑动率和比压等，均有利于减轻吃面的磨损。为了解决在恶劣环境工作中的齿轮的严重磨粒磨损，可采用闭式结构。

对于低速传动采用粘度较大的润滑油，对于高速传动采用混入抗胶合添加剂的润滑油。

（五）齿面塑性变形

在高速重载齿轮传动时，由于齿轮材料较软而产生的沿摩擦力方向的金属流动。齿轮齿的塑性有三种主要表现类型：碾压与锤击变形、起波纹和脊状延伸。

此外，齿轮工作环境中的温度、湿度变化；水分含量；粉尘、颗粒漂浮物等等，都是影响齿轮失效的原因（由于影响较小，在这里不过多介绍。）

为防止齿面的塑性变形，可采用提高齿面硬度、选用粘度较高的润滑油等方法。

四、常规齿轮损伤和失效的主要原因探究

诱发轮齿损伤和失效的主要原因由于轮齿工况不同，材质各异，环境条件也有差别，因此产生上述轮齿主要失效形式的诱因往往很复杂，但可以从以下几个方面进行分析、查找。

（一）设计方面的失误齿轮装置的设计，技术上要求较高，并且要有一定的经验。因此，由于齿轮设计的失误而造成齿轮失效的事故时有发生

例如：对作用在轮齿上载荷估计不足轮齿上所受的载荷一般可分三部分，即

1.名义载荷，可视为齿轮传递的名义功率。

2.外部动载荷，它取决于原动机、从动机的特性、轴和联轴器系统的质量、刚度能及运行状态。

3.内部动载荷，这是由于齿轮本身制造误差、轮齿刚度等因素产生的载荷。通常精确确定轮齿上的载荷是非常困难的较好的办法是进行实测或对传动系统进行全面分析。但是，这种复杂的方法不是处处可以采用的，因此在齿轮设计中，对载荷估计不足是常见的。

（二）齿轮装置结构的设计不合理

例如轴承安装方式或安装位置不合适，轴或齿轮箱的刚度太差，密封不可靠等，都可能使轮齿失效。

（三）确定齿轮参数不合适

例如齿轮的模数、齿宽系数、侧隙、顶隙、齿根圆角的形状、齿廓修缘、齿向修形等确定得不合适，从而影响齿轮的寿命。

（四）材料选用不合适

齿轮材料种类、牌号应根据齿轮的具体使用条件来选定；特别是大小齿轮不同材料的匹配，更值得设计者注意，否则容易引起齿轮失效。

（五）润滑系统设计有误

齿轮装置的润滑方法、润滑油性能和油量等如果处理不好，可能使齿面产生胶合、过热和过度磨损等失效。

（六）材料和热加工方面的失误齿轮材料化学成分和力学性能不合格，内部有缺陷等是诱发齿轮失效的重要原因之一

齿轮材料的热加工是指毛坯的锻造和齿轮的热处理。其常见的失误有：金相组织不良，齿面或齿心硬度不合适，硬化层深度不适当，表面有脱碳和晶界氧化现象，残余应力不良，有热处理裂纹等。

五、齿轮的常用材料的基本要求

（一）轮齿表面应有较高的硬度和抗磨损、抗点蚀、抗胶合、抗塑性变形的能力。（二）轮齿芯部应有足够的强度和韧性有较高的抗折断能力和抗冲击能力。（三）有良好的加工工艺性能及热处理性能，使之易于达到所需要的加工精度及机械性能的要求。

六、齿轮的常用材料及热处理

（一）锻钢

是制造齿轮的主要材料，一般采用含碳量为0.1%—0.6%的碳素钢或合金钢。按轮齿表面硬度要求又可分为：HBS≤350和HBS>350两类。

（二）铸钢

通常用于尺寸较大(一般直径d>400～600㎜)、轮坯不宜锻出的齿轮，可采用铸钢铸钢的耐磨性及强度均较好。

（三）铸铁

常用于工作稳定，低速和功率不大的场合。如：（灰铸铁其性质较脆，抗冲击及耐磨性都较差，但抗胶合及抗点蚀能力较好，工艺性好，成本较低。在润滑不良的情况下，灰铸铁本身所含石墨能起润滑作用，所以开式传动中常采用铸铁齿轮。闭式传动中可用球墨铸铁代替铸钢。）

（四）非金属材料

为消除噪声，对高速、承载小的齿轮，可采用塑料、尼龙、皮革等非金属材料制造，并与金属齿轮相匹配使用。

（五）常用的热处理工艺有：

调质、正火（软齿面）；表面淬火、渗碳淬火、渗氮（硬齿面）

七、小结

通过近期对齿轮的综合了解、学习，我们更加系统的了解了齿轮的工作原理、环境状况，知道了齿轮传动用来传递任意两轴之间的运动和动力，其圆周速度可达到300m/s，传递功率可达到105KW，齿轮直径可从1mm到150m以上，是现代机械中应用最广的一种机械传动。只有了解齿轮的达到我失效原因及对策，才能更好的制造和利用齿轮，从而方便我们的机械制造过程，提高制造精度，达到所需的机械目的。

致谢

本论文的完成，得益于刘老师传授的知识，使本人有了完成论文所要求的知识积累，更得益于选题的确定、论文资料的收集、论文框架的确定、开题报告准备及论文初稿与定稿中对字句的斟酌倾注的大量心血!

在这里，还要特别感谢大学三年学习期间给我诸多教诲和帮助的潞安职业技术学院的各位老师给予我的指导和教诲我将永远记在心里！

感谢和我一起生活三年的室友，是你们让我们的寝室充满快乐与温馨，“君子和而不同”，我们正是如此！愿我们以后的人生都可以充实、多彩与快乐！

感谢我的同学们，谢谢你们给予我的帮助！

回首本人的求学生涯，父母的支持是本人最大的动力。父母不仅在经济上承受了巨大的负担，在心里上更有思子之情的煎熬与望子成龙的期待。忆往昔，每次回到家时父母的欣喜之情，每次离家时父母的依依不舍之眼神，电话和信件中的殷殷期待和思念之语，皆使本人刻苦铭心，目前除了学习成绩尚可外无以为报，希望以后的学习、工作和生活能使父母宽慰。

参考文献：

1、陈立德《机械设计基础》高等教育出版社，2007

2、陈南平顾守仁沈万慈《机械零件失效分析》清华大学出版社，1988

3、王中发《机械设计》北京理工大学出版社，1998