(一)失效形式
齒輪傳動(dòng)就裝置形式來(lái)說(shuō),有開(kāi)式、半開(kāi)式及閉式之分;就使用情況來(lái)說(shuō)有低速、高速及輕載、重載之別;就齒輪材料的性能及熱處理工藝的不同,輪齒有較脆(如經(jīng)整體淬火、齒面硬度較高的鋼齒輪或鑄鐵齒輪)或較韌(如經(jīng)調(diào)質(zhì)、?;膬?yōu)質(zhì)鋼材及合金鋼齒輪),齒面有較硬(輪齒工作面的硬度大于350HBS或38HRC,并稱(chēng)為硬齒面齒輪)或較軟(輪齒工作面的硬度小于或等于350HBS或38HRC,并稱(chēng)為軟齒面齒輪)的差別等。由于上述條件的不同,齒輪傳動(dòng)也就出現(xiàn)了不同的失效形式。一般地說(shuō),齒輪傳動(dòng)的失效主要是輪齒的失效,而輪齒的失效形式又是多種多樣的,這里只就較為常見(jiàn)的輪齒折斷和工作面磨損、點(diǎn)蝕,膠合及塑性變形等略作介紹,其余的輪齒失效形式請(qǐng)參看有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。至于齒輪的其它部分(如齒圈、輪輻、輪轂等),除了對(duì)齒輪的質(zhì)量大小需加嚴(yán)格限制外,通常只需按經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì),所定的尺寸對(duì)強(qiáng)度及剛度均較富裕,實(shí)踐中也極少失效。
1.輪齒折斷
輪齒折斷有多種形式,在正常情況下,主要是齒根彎曲疲勞折斷,因?yàn)樵谳嘄X受載時(shí),齒根處產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力最大,再加上齒根過(guò)渡部分的截面突變及加工刀痕等引起的應(yīng)力集中作用,當(dāng)輪齒重復(fù)受載后,齒根處就會(huì)產(chǎn)生疲勞裂紋,并逐步擴(kuò)展,致使輪齒疲勞折斷(見(jiàn)圖1 圖2 圖3)。 此外,在輪齒受到突然過(guò)載時(shí),也可能出現(xiàn)過(guò)載折斷或剪斷;在輪齒受到嚴(yán)重磨損后齒厚過(guò)分減薄時(shí),也會(huì)在正常載荷作用下發(fā)生折斷。 在斜齒圓柱齒輪(簡(jiǎn)稱(chēng)斜齒輪)傳動(dòng)中,輪齒工作面上的接觸線為一斜線(參看),輪齒受載后,如有載荷集中時(shí),就會(huì)發(fā)生局部折斷。
圖1
圖2
圖3
若制造或安裝不良或軸的彎曲變形過(guò)大,輪齒局部受載過(guò)大時(shí),即使是直齒圓柱齒輪(簡(jiǎn)稱(chēng)直齒輪),也會(huì)發(fā)生局部折斷。
為了提高齒輪的抗折斷能力,可采取下列措施:1)用增加齒根過(guò)渡圓角半徑及消除加工刀痕的方法來(lái)減小齒根應(yīng)力集中;2)增大軸及支承的剛性,使輪齒接觸線上受載較為均勻;3)采用合適的熱處理方法使齒芯材料具有足夠的韌性;4)采用噴丸、滾壓等工藝措施對(duì)齒根表層進(jìn)行強(qiáng)化處理。
2.齒面磨損
在齒輪傳動(dòng)中,齒面隨著工作條件的不同會(huì)出現(xiàn)不同的磨損形式。例如當(dāng)嚙合齒面間落入磨料性物質(zhì)(如砂粒、鐵屑等)時(shí),齒面即被逐漸磨損而至報(bào)廢。這種磨損稱(chēng)為磨粒磨損(見(jiàn)圖1 圖2 圖3 )。它是開(kāi)式齒輪傳動(dòng)的主要形式之一。改用閉式齒輪傳動(dòng)是避免齒面磨粒磨損最有效的方法。
3.齒面點(diǎn)蝕
點(diǎn)蝕是齒面疲勞損傷的現(xiàn)象之一。在潤(rùn)滑良好的閉式齒輪傳動(dòng)中,常見(jiàn)的齒面失效形式多為點(diǎn)蝕。所謂點(diǎn)蝕就是齒面材料變化著的接觸應(yīng)力作用下,由于疲勞而產(chǎn)生的麻點(diǎn)狀損傷現(xiàn)象(見(jiàn)圖1 圖2 圖3)。齒面上最初出現(xiàn)的點(diǎn)蝕僅為針尖大小的麻點(diǎn),如工作條件未加改善,麻點(diǎn)就會(huì)逐漸擴(kuò)大,甚至數(shù)點(diǎn)連成一片,最后形成了明顯的齒面損傷。 齒輪在嚙合過(guò)程中,齒面間的相對(duì)滑動(dòng)起著形成潤(rùn)滑油膜的作用,而且相對(duì)滑動(dòng)速度愈高,愈易在齒面間形成油膜,潤(rùn)滑也就愈好。當(dāng)輪齒在靠近節(jié)線處嚙合時(shí),由于相對(duì)滑動(dòng)速度低,形成油膜的條件差,潤(rùn)滑不良,摩擦力較大,特別是直齒輪傳動(dòng),通常這時(shí)只有一對(duì)齒嚙合,輪齒受力也最大,因此,點(diǎn)蝕也就首先出現(xiàn)在靠近節(jié)線的齒根面上,然后再向其它部位擴(kuò)展。
從相對(duì)意義上說(shuō),也就是靠近節(jié)線處的齒根面抵抗點(diǎn)蝕的能力最差(即接觸疲勞強(qiáng)度最低)。 提高齒輪材料的硬度,可以增強(qiáng)齒輪抗點(diǎn)蝕的能力。在嚙合的輪齒間加注潤(rùn)滑油可以減小摩擦,減緩點(diǎn)蝕,延長(zhǎng)齒輪的工作壽命。并且在合理的限度內(nèi),潤(rùn)滑油的粘度越高,上述效果也愈好。因?yàn)楫?dāng)齒面上出現(xiàn)疲勞裂紋后,潤(rùn)滑油就會(huì)侵入裂紋,而且粘度愈低的油,愈易侵入裂紋。潤(rùn)滑油侵入裂紋后,在輪齒嚙合時(shí),就有可能在裂紋內(nèi)受到擠脹,從而加快裂紋的擴(kuò)展,這是不利之處。所以對(duì)速度不高的齒輪傳動(dòng),以用粘度高一點(diǎn)的油來(lái)潤(rùn)滑為宜;對(duì)速度較高的齒輪傳動(dòng)(如圓周速度v>12m/s),要用噴油潤(rùn)滑(同時(shí)還起散熱的作用),此時(shí)只宜用粘度低的油。開(kāi)式齒輪傳動(dòng),由于齒面磨損較快,很少出現(xiàn)點(diǎn)蝕。
4.齒面膠合
對(duì)于高速重載的齒輪傳動(dòng)(如航空發(fā)動(dòng)機(jī)減速器的主傳動(dòng)齒輪),齒面間的壓力大,瞬間溫度高,潤(rùn)滑效果差,當(dāng)瞬時(shí)溫度過(guò)高時(shí),相嚙合的兩齒面就會(huì)發(fā)生粘在一起的現(xiàn)象,由于此時(shí)兩齒面又在作相對(duì)滑動(dòng),相粘結(jié)的部位即被撕破,于是在齒面上沿相對(duì)滑動(dòng)的方向形成傷痕,稱(chēng)為膠合,如圖1 圖2 圖3中的輪齒部分所示。傳動(dòng)時(shí)齒面瞬時(shí)溫度愈高、相對(duì)滑動(dòng)速度愈大的地方,愈易發(fā)生膠合。
有些低速重載的重型齒輪傳動(dòng),由于齒面間的油膜遭到破壞,也會(huì)產(chǎn)生膠合失效。此時(shí),齒面的瞬時(shí)溫度并無(wú)明顯增高,故稱(chēng)為冷膠合。 加強(qiáng)潤(rùn)滑措施,采用抗膠合能力強(qiáng)的潤(rùn)滑油(如硫化油),在潤(rùn)滑油中加入極壓添加劑等,均可防止或減輕齒面的膠合。
5.齒面塑性變形
塑性變形屬于輪齒永久變形一大類(lèi)的失效形式,它是由于在過(guò)大的應(yīng)力作用下,輪齒材料處于屈服狀態(tài)而產(chǎn)生的齒面或齒體塑性流動(dòng)所形成的。塑性變形一般發(fā)生在硬度低的齒輪上;但在重載作用下,硬度高的齒輪上也會(huì)出現(xiàn)。 塑性變形又分為滾壓塑變和錘擊塑變。滾壓塑變是由于嚙合輪齒的相互滾壓與滑動(dòng)而引起的材料塑性流動(dòng)所形成的。由于材料的塑性流 動(dòng)方向和齒面上所受的摩擦力方向一致,所以在主動(dòng)輪的輪齒上沿相對(duì)滑動(dòng)速度為零的節(jié)線處被碾出溝槽,而在從動(dòng)輪的輪齒上則在節(jié)線處被擠出脊棱。這種現(xiàn)象稱(chēng)為滾壓塑變(見(jiàn)右圖)。錘擊塑變則是伴有過(guò)大的沖擊而產(chǎn)生的塑性變形,它的特征是在齒面上出現(xiàn)淺的溝槽,且溝槽的取向與嚙合輪齒的接觸線相一致。 提高輪齒齒面硬度,采用高粘度的或加有極壓添加劑 的潤(rùn)滑油均有助于減緩或防止輪齒產(chǎn)生塑性變形。
提高輪齒對(duì)上述幾種失效形式的抵抗能力,除上面所說(shuō)的辦法外,還有減小齒面粗糙度值,適當(dāng)選配主、從動(dòng)齒輪的材料及硬度,進(jìn)行適當(dāng)?shù)哪ズ希ㄅ芎希约斑x用合適的潤(rùn)滑劑及潤(rùn)滑方法等。前已說(shuō)明,輪齒的失效形式很多。除上述五種主要形式外,還可能出現(xiàn)齒面融化、齒面燒傷、電蝕、異物嚙入和由于不同原因產(chǎn)生的多種腐蝕和裂紋等等,可參看有關(guān)資料。
(二)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
由上述分析可知,所設(shè)計(jì)的齒輪傳動(dòng)在具體的工作情況下,必須具有足夠的、相應(yīng)的工作能力,以保證在整個(gè)工作壽命期間不致失效。因此,針對(duì)上述各種工作情況及失效形式,都應(yīng)分別確立相應(yīng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。但是對(duì)于齒面磨損、塑性變形等,由于尚未建立起廣為工程實(shí)際使用而且行之有效的計(jì)算方法及設(shè)計(jì)數(shù)據(jù),所以目前設(shè)計(jì)的一般使用的齒輪傳動(dòng)時(shí),通常只按保證齒根彎曲疲勞強(qiáng)度及保證齒面接觸疲勞強(qiáng)度兩準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于高速大功率的齒輪傳動(dòng)(如航空發(fā)動(dòng)機(jī)主傳動(dòng)、汽輪發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)等),還要按保證齒面抗膠合能力的準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算(參閱GB6413-1986)。至于抵抗其它失效能力,目前雖然一般不進(jìn)行計(jì)算,但應(yīng)采取的措施,以增強(qiáng)輪齒抵抗這些失效的能力。
由實(shí)踐得知,在閉式齒輪傳動(dòng)中,通常以保證齒面接觸疲勞強(qiáng)度為主。但對(duì)于齒面硬度很高、齒芯強(qiáng)度又低的齒輪(如用20、20Cr鋼經(jīng)滲碳后淬火的齒輪)或材質(zhì)較脆的齒輪,通常則以保證齒根彎曲疲勞強(qiáng)度為主。如果兩齒輪均為硬齒面且齒面硬度一樣高時(shí),則視具體情況而定。
功率較大的傳動(dòng),例如輸入功率超過(guò)75kW的閉式齒輪傳動(dòng),發(fā)熱量大,易于導(dǎo)致潤(rùn)滑不良及輪齒膠合損傷等,為了控制溫升,還應(yīng)作散熱能力計(jì)算。
開(kāi)式(半開(kāi)式)齒輪傳動(dòng),按理應(yīng)根據(jù)保證齒面抗磨損及齒根抗折斷能力兩準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算,但如前所述,對(duì)齒面抗磨損能力的計(jì)算方法迄今尚不夠完善,故對(duì)開(kāi)式(半開(kāi)式)齒輪傳動(dòng),目前僅以保證齒根彎曲疲勞強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。為了延長(zhǎng)開(kāi)式(半開(kāi)式)齒輪傳動(dòng)的壽命,可視具體需要而將所求得的模數(shù)適當(dāng)增大。
前已述之,對(duì)于齒輪的輪圈、輪輻、輪轂等部位的尺寸,通常僅作結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),不進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。