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摘要：通过对齿轮失效形式的分析，找出相应解决方法，提高机械传动齿轮质量，延长机械设备的使用寿命。分析研究失效形式有助于建立齿轮设计的准则，提出防止和减轻失效的措施。
关键词：失效；轮齿折断；齿面点蚀；齿面胶合；齿面磨损；齿面塑性变形
【分类号】：TH132.41
齿轮及其齿轮产品是机械装备的重要基础零件之一，绝大部分机械成套设备的主要传动部件都是齿轮传动。齿轮类型很多，有直齿轮、斜齿轮、人字齿等，齿面硬度有软齿面和硬齿面，齿轮转速有高有低，传动装置有开式装置和闭式装置，载荷有轻重之分。各种齿轮传动因其润滑方式不同，材料及热处理方式不同，齿轮传动的载荷和速度范围不同，在实际应用中会出现各种不同的失效形式。齿轮的失效主要发生在轮齿部分，其常见失效形式有：轮齿折断、齿面点蚀、齿面磨损、齿面胶合和齿面塑性变形五种。
1 轮齿折断
轮齿折断有多种形式，在正常情况下，有以下两种：
1）过载折断
轮齿因短时过载或冲击载荷而产生的折断，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
齿轮在工作过程中，齿根处产生的弯曲应力最大，再加上齿根过渡部分的截面突变及加工刀痕等引起的应力集中作用，当轮齿重复受载后，齿根处就会产生疲劳裂纹，并逐步扩展，致使轮齿疲劳折断轮齿。齿面较小的直齿轮常发生全齿折断，齿面较大的直齿轮，因制造装配误差易产生载荷偏置一端，导致局部折断；斜齿轮和人字齿齿轮，由于接触线倾斜，一般是局部齿折断。
轮齿折断是齿轮传动最严重的失效形式，必须避免。为了提高齿轮的抗折断能力，除设计时满足强度条件外，还可采取下列措施：合理提高齿轮的制造精度和安装精度；采用合适的热处理方式增强轮齿齿芯的韧性；增大齿根过度圆角半径以减小应力集中；消除齿根加工刀痕，齿根处进行喷丸、碾压等强化处理；加大齿轮模数。
2 齿面磨损
齿面磨损有磨粒磨损和跑合磨损两种。
在齿轮传动中，随着工作环境的不同，齿面间存在多种形式的磨损情况。当齿面间落入铁屑、砂粒、非金属物等磨粒性物质时，都会发生磨粒磨损。齿面被逐渐磨损，齿面磨损后，引起齿廓变形，产生振动、冲击和噪声，磨损严重时，由于齿厚过薄而可能发生轮齿折断。磨粒磨损是开式齿轮传动的主要失效形式。
新的齿轮副，由于加工后表面具有一定的粗糙度，受载时实际上只有部分峰顶接触，接触处压强很高，因而在开始运转期间，磨损速度和磨损量都较大，磨损到一定程度后，摩擦面渐渐光洁，压强减小、磨损速度缓和，这种磨损成为跑合磨损。人们有意的使新齿轮副在轻载下进行跑合，为随后的正常磨损创造条件。但应注意，跑合结束后，必须清洗和更换润滑油。
提高抗磨粒磨损能力的措施有：改善密封条件，比如采用闭式传动代替开式传动或加防护装置；提高齿面硬度；改善润滑条件，在润滑油中加入减摩添加剂，保持润滑油的清洁。
3 齿面疲劳点蚀
轮齿在交变的接触应力作用下，齿面接触应力超出材料的接触疲劳极限，在载荷的多次重复作用下，轮齿表层下一定深度产生裂纹，裂纹逐渐发展扩大导致轮齿表面出现疲劳裂纹，疲劳裂纹扩展的结果是使齿面金属脱落而形成麻点状凹坑，这种现象就称为齿面疲劳点蚀。发生点蚀后，齿廓形状遭破坏，传动的平稳性受影响并产生振动与噪声，以至于齿轮不能正常工作而使传动失效。实践表明，疲劳点蚀首先出现在齿面节线附近的齿根部分，这是因为节线附近齿面相对滑动速度小，油膜不宜形成，摩擦力较大，且节线处同时参与啮合的轮齿对数少，接触应力大。点蚀是润滑良好的闭式齿轮传动的主要失效形式，在开式传动中，由于磨粒磨损比点蚀发展得快，因此不会出现点蚀。
提高齿轮接触疲劳强度的主要措施有：提高齿面硬度和降低齿面粗糙度；合理选用润滑油粘度，采用黏度较高的润滑油；减小动载荷；采用正变位齿轮传动；增大综合曲率半径。
4 齿面胶合
齿面胶合是比较严重的黏着磨损，一般发生在齿面相对滑动速度大的齿顶或齿根部位。互相啮合的轮齿齿面，在一定的温度或压力作用下，发生粘着，随着齿面的相对运动，粘焊金属被撕脱后，齿面上沿滑动方向形成沟痕，这种现象称为胶合。胶合发生在高速重载齿轮传动中，使啮合点处瞬时温度过高，润滑失效， 致使相啮合两齿面金属尖峰直接接触并相互粘连在一起，造成热胶合；发生在重载低速齿轮传动中，不易形成油膜，或由于局部偏载使油膜破坏，会造成冷胶合。齿面一旦出现胶合，不但齿面温度升高，而且齿轮的振动和噪声也增大，导致失效。
提高抗齿面胶合的方法有：减小模数，降低齿高，降低滑动系数；加入极压添加剂的润滑油；采用齿廓修形，提高传动平稳性；采用抗胶合能力强的齿轮材料；提高齿面硬度和降低齿面粗糙度；材料相同时，使大、小齿轮保持适当硬度差。
5 齿面塑性变形
齿面塑性变形属于轮齿永久变形，是由于在过大的应力作用下，轮齿材料处于屈服状态而产生的齿面或齿体塑性流动所形成的。当轮齿材料较软，载荷很大时，轮齿在啮合过程中，齿面油膜被破坏，摩擦力增大，而塑性流动方向和齿面所受摩擦力的方向一致，齿面表层的材料就会沿着摩擦力的方向产生塑性变形。齿面塑性变形常发生在齿面材料较软、低速重载的传动中。常出现在低速重载、频繁启动和过载传动中。主动轮齿上所受摩擦力是背离节线分别朝向齿顶及齿根作用的，故产生塑性变形后，齿面沿节线处变成凹槽。从动轮齿上所受的摩擦力方向则相反，塑性变形后，齿面沿节线处形成凸脊。
减轻或防止齿面塑性变形的方法有：适当提高齿面硬度；采用粘度高的润滑油。
总结：中国已成为世界齿轮制造大国，齿轮制造行业的高速发展，为汽车、航空、航天行业的高速发展提供了保障。中国处于工业化、市场化和城镇化加快发展的时期，也处在消费扩大和结构升级的时期，装备制造业将迎来难得发展机遇，为齿轮的发展提供巨大市场空间。对各种齿轮的失效形式及原因的分析和讨论，对提高机械传动齿轮质量，延长机械设备的使用寿命有非常重要的现实意义。
参考文献：
1、赵冬梅主编《机械设计基础》第二版 西安电子科技大学出版社
2、纪名刚主编《机械设计》第七版 高等教育出版社
3、朱孝录《机械传动设计手册》 电子工业出版社
关键词：失效；轮齿折断；齿面点蚀；齿面胶合；齿面磨损；齿面塑性变形
【分类号】：TH132.41
齿轮及其齿轮产品是机械装备的重要基础零件之一，绝大部分机械成套设备的主要传动部件都是齿轮传动。齿轮类型很多，有直齿轮、斜齿轮、人字齿等，齿面硬度有软齿面和硬齿面，齿轮转速有高有低，传动装置有开式装置和闭式装置，载荷有轻重之分。各种齿轮传动因其润滑方式不同，材料及热处理方式不同，齿轮传动的载荷和速度范围不同，在实际应用中会出现各种不同的失效形式。齿轮的失效主要发生在轮齿部分，其常见失效形式有：轮齿折断、齿面点蚀、齿面磨损、齿面胶合和齿面塑性变形五种。
1 轮齿折断
轮齿折断有多种形式，在正常情况下，有以下两种：
1）过载折断
轮齿因短时过载或冲击载荷而产生的折断，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
齿轮在工作过程中，齿根处产生的弯曲应力最大，再加上齿根过渡部分的截面突变及加工刀痕等引起的应力集中作用，当轮齿重复受载后，齿根处就会产生疲劳裂纹，并逐步扩展，致使轮齿疲劳折断轮齿。齿面较小的直齿轮常发生全齿折断，齿面较大的直齿轮，因制造装配误差易产生载荷偏置一端，导致局部折断；斜齿轮和人字齿齿轮，由于接触线倾斜，一般是局部齿折断。
轮齿折断是齿轮传动最严重的失效形式，必须避免。为了提高齿轮的抗折断能力，除设计时满足强度条件外，还可采取下列措施：合理提高齿轮的制造精度和安装精度；采用合适的热处理方式增强轮齿齿芯的韧性；增大齿根过度圆角半径以减小应力集中；消除齿根加工刀痕，齿根处进行喷丸、碾压等强化处理；加大齿轮模数。
2 齿面磨损
齿面磨损有磨粒磨损和跑合磨损两种。
在齿轮传动中，随着工作环境的不同，齿面间存在多种形式的磨损情况。当齿面间落入铁屑、砂粒、非金属物等磨粒性物质时，都会发生磨粒磨损。齿面被逐渐磨损，齿面磨损后，引起齿廓变形，产生振动、冲击和噪声，磨损严重时，由于齿厚过薄而可能发生轮齿折断。磨粒磨损是开式齿轮传动的主要失效形式。
新的齿轮副，由于加工后表面具有一定的粗糙度，受载时实际上只有部分峰顶接触，接触处压强很高，因而在开始运转期间，磨损速度和磨损量都较大，磨损到一定程度后，摩擦面渐渐光洁，压强减小、磨损速度缓和，这种磨损成为跑合磨损。人们有意的使新齿轮副在轻载下进行跑合，为随后的正常磨损创造条件。但应注意，跑合结束后，必须清洗和更换润滑油。
提高抗磨粒磨损能力的措施有：改善密封条件，比如采用闭式传动代替开式传动或加防护装置；提高齿面硬度；改善润滑条件，在润滑油中加入减摩添加剂，保持润滑油的清洁。
3 齿面疲劳点蚀
轮齿在交变的接触应力作用下，齿面接触应力超出材料的接触疲劳极限，在载荷的多次重复作用下，轮齿表层下一定深度产生裂纹，裂纹逐渐发展扩大导致轮齿表面出现疲劳裂纹，疲劳裂纹扩展的结果是使齿面金属脱落而形成麻点状凹坑，这种现象就称为齿面疲劳点蚀。发生点蚀后，齿廓形状遭破坏，传动的平稳性受影响并产生振动与噪声，以至于齿轮不能正常工作而使传动失效。实践表明，疲劳点蚀首先出现在齿面节线附近的齿根部分，这是因为节线附近齿面相对滑动速度小，油膜不宜形成，摩擦力较大，且节线处同时参与啮合的轮齿对数少，接触应力大。点蚀是润滑良好的闭式齿轮传动的主要失效形式，在开式传动中，由于磨粒磨损比点蚀发展得快，因此不会出现点蚀。
提高齿轮接触疲劳强度的主要措施有：提高齿面硬度和降低齿面粗糙度；合理选用润滑油粘度，采用黏度较高的润滑油；减小动载荷；采用正变位齿轮传动；增大综合曲率半径。
4 齿面胶合
齿面胶合是比较严重的黏着磨损，一般发生在齿面相对滑动速度大的齿顶或齿根部位。互相啮合的轮齿齿面，在一定的温度或压力作用下，发生粘着，随着齿面的相对运动，粘焊金属被撕脱后，齿面上沿滑动方向形成沟痕，这种现象称为胶合。胶合发生在高速重载齿轮传动中，使啮合点处瞬时温度过高，润滑失效， 致使相啮合两齿面金属尖峰直接接触并相互粘连在一起，造成热胶合；发生在重载低速齿轮传动中，不易形成油膜，或由于局部偏载使油膜破坏，会造成冷胶合。齿面一旦出现胶合，不但齿面温度升高，而且齿轮的振动和噪声也增大，导致失效。
提高抗齿面胶合的方法有：减小模数，降低齿高，降低滑动系数；加入极压添加剂的润滑油；采用齿廓修形，提高传动平稳性；采用抗胶合能力强的齿轮材料；提高齿面硬度和降低齿面粗糙度；材料相同时，使大、小齿轮保持适当硬度差。
5 齿面塑性变形
齿面塑性变形属于轮齿永久变形，是由于在过大的应力作用下，轮齿材料处于屈服状态而产生的齿面或齿体塑性流动所形成的。当轮齿材料较软，载荷很大时，轮齿在啮合过程中，齿面油膜被破坏，摩擦力增大，而塑性流动方向和齿面所受摩擦力的方向一致，齿面表层的材料就会沿着摩擦力的方向产生塑性变形。齿面塑性变形常发生在齿面材料较软、低速重载的传动中。常出现在低速重载、频繁启动和过载传动中。主动轮齿上所受摩擦力是背离节线分别朝向齿顶及齿根作用的，故产生塑性变形后，齿面沿节线处变成凹槽。从动轮齿上所受的摩擦力方向则相反，塑性变形后，齿面沿节线处形成凸脊。
减轻或防止齿面塑性变形的方法有：适当提高齿面硬度；采用粘度高的润滑油。
总结：中国已成为世界齿轮制造大国，齿轮制造行业的高速发展，为汽车、航空、航天行业的高速发展提供了保障。中国处于工业化、市场化和城镇化加快发展的时期，也处在消费扩大和结构升级的时期，装备制造业将迎来难得发展机遇，为齿轮的发展提供巨大市场空间。对各种齿轮的失效形式及原因的分析和讨论，对提高机械传动齿轮质量，延长机械设备的使用寿命有非常重要的现实意义。
参考文献：
1、赵冬梅主编《机械设计基础》第二版 西安电子科技大学出版社
2、纪名刚主编《机械设计》第七版 高等教育出版社
3、朱孝录《机械传动设计手册》 电子工业出版社