齿轮失效分析
齿轮是传递运动和动力的重要零件 齿轮种类较多
工作环境不
同 因此有多种不同的失效形式
失效类型由失效齿轮的形貌和失效 过程或机理确定的 失效机理确定后
就可以确定失效原因
提出相 应的对策
齿轮失效类型可以分为四大类 磨损 表面疲劳
塑性变形和折 断 每一大类还可细分为几类 进而使分类更加精细和明确辨别特征 失效的类型可见表一 失效的特征 部位及对策见表二
齿轮的失效 损伤除了以上类型和特征外 还可有其他形式的损伤 如随机断裂 各种材质缺陷造成的损伤 加工工艺不当造成的淬火裂纹
磨削裂纹 等 但此类损伤如在加工过程中加强质检是可以避免的 因此在表二 中未予列出
表一
齿轮失效的类型 分类 失效类型 磨损 轻微磨损 中等磨损
过度磨损 磨粒磨损 腐蚀磨损 轻微胶合 中等胶合 破坏性胶合 局部胶合 表面疲劳 早期点蚀 破坏性点蚀 剥落
塑性变形 碾击塑变 鳞皱 起脊 齿面塑变 折断 疲劳折断 过载折断
1 表二
齿轮损伤特征 原因及对策
损伤特征部位
损伤原因
对策
磨损
齿轮在啮合过程中
轮齿接触表面材料的摩擦损耗现象
1
轻微磨损
接触表面上的
微凸体逐渐磨平
直至出
现非常光滑的表面为止
2
中等磨损
节线上下齿面
材料都有一定磨损
节线
位置呈现出一条近于连
续的线
3
过度磨损
齿廓形状破
坏
磨损率很高
节线附
近有点蚀
传动有噪音和
振动
4
磨粒磨损
轮齿接触表面
沿滑动方向有较均匀的
条痕
多次磨擦条痕重
叠
5
腐蚀磨损
齿面上呈现均
匀分布的腐蚀麻坑
齿面
沿滑动方向伴有腐蚀痕
迹
轮齿接触表面的粗糙度与润 滑粘度
齿面工作速度
工作
载荷不匹配
齿轮在边界润滑状态下工作 润滑系统中有小量的污染杂 质
润滑系统和密封装置不良 系
统有严重振动
冲击载荷
齿面间异物引起磨粒磨损 在
开式齿轮传动中更为严重
轮齿材料发生电化学反应 由
磨擦
冲刷形成腐蚀磨损
高
温时极压添加剂形成磨蚀介 质
此为轻微磨损过程
可适时更
换润滑剂
提高润滑油粘度
降低油温
加入适当的添加剂
加强油液
清洁度管理
对污染杂质增设过滤装置 适
时更换润滑油
改善润滑方式
提高润滑油粘
度
提高工作速度
减轻载荷
跑合后注意清洗
适时换油
开式齿轮箱采取适当防护
防止油液污染
添加剂的成分
和含量适当
建立合理的工艺
规程
胶合
相啮合的齿面金属
在一定压力下直接发生粘着 随着齿面的相对运动
使金属从齿
面上撕落而引起严重的粘着磨损现象
1
轻微胶合
靠近齿顶或齿
根的齿面上沿滑动方向 有极轻微而细密的伤痕 一条喑带
有时要借
助显微镜才能见到痕迹
2
中等胶合
齿顶部
齿根
部均有滑动方向的粘撕 伤痕
较软齿面更明显
3
破坏性胶合
沿滑动方向
呈现明显粘撕痕迹 齿顶
有明显的材料移失迹象 齿廓毁坏
振动
噪音增
大
4
局部胶合
局部区域有齿
面胶合的现象
并不延
伸
扩展
运转初期润滑条件与工作情 况不协调
或轻微干涉存在而 引起
齿轮啮合处局部温度过高
坏润滑油膜
润滑不充分
工作温度过高
齿面接触应力或速度过高引 起的过热
由于安装制造误差 引起载荷
集中
鼓形齿修形量过大 齿
宽较大
局部温升引起变形
控制起动过程的润滑及载荷 排除干涉的起因
降低油温
使用极压添加剂的 润滑油
降低齿面表面粗糙 度
降低载荷及速度
保证一定条件下良好的润滑 采用极压或特殊高粘度的润 滑油
安装精度适当
修形量适当
散热应均匀
油的冷却与供油
部位应适当
齿面呈点状的齿面疲劳损伤
1
早期点蚀
有较小
数量
不多的麻点
2
破坏性点蚀
靠近节线的
齿根表面上
麻点不断扩
展
噪声增大
啮合齿面局部过载 齿形误
差
齿面凸凹不平
轴线歪斜
造成偏载
齿面接触应力过大 节线附近
滑动速度方向变化 油膜不易
形成
提高齿形精度
精心跑合
提高齿面硬度
降低粗糙度
改善润滑
剥落
齿面上材料成片状剥离
2
剥落
形状不规则的片状剥
落坑
较浅平而大的坑
硬齿面上过高的接触应力作 用
疲劳裂纹扩展形成
材料
缺陷
齿面软硬的过度层中裂
纹的延伸扩展
承载力不足应考虑重新设计 提高轮齿芯部硬度
减小应力
集中
塑性变形
在过大应力作用下 轮齿材料因屈服产生塑性流动 而形成齿面和齿体的变形
1
碾击塑变 在齿顶棱和齿
端出现飞边 齿顶滚圆
节线附近有沟槽 脊棱
2
鳞皱
齿面塑变呈鱼鳞状 皱纹
并垂直于滑动速度 方向
3
起脊
整个工作齿面上沿
滑动方向形成明显的脊
棱
4
齿体塑变
轮齿歪扭
齿
形剧变
硬齿面轮齿伴有
变色现象
滚碾冲击作用
接触应力过
高
轮齿材料硬度过低
动载
荷太大以及润滑不良
润滑不良及高压强作用
齿面
爬行
的结果
低速度
振
动引起齿面塑性流动
常发生在重载的蜗杆传动中 准双曲线齿轮传动中
高接触
应力和低滑动速度
不良润滑
材料的塑性流动
润滑失常造成剧烈温升引起 轮齿热塑变形
过大载荷引起
冷塑变形
减小接触应力
提高材料硬
度
降低动载荷
采用极压添
加剂和高粘度润滑油
保证制
造
安装精度
提高齿面硬度
改善润滑
提
高速度
控制齿面的振动
提高材料的硬度
采用粘度
大
有极压添加剂的润滑油
保证润滑油的清洁度
提高润滑油的粘
度
对冷塑变形应提高材料的 屈服极限
轮齿折断
齿轮一个或多个齿的整体或局部断裂
1
疲劳折断
起源于齿根处
的疲劳裂纹扩展造成的
断齿
2
过载断齿
断口较粗糙
无疲劳断裂的特征
高的交变应力多次作用的结 果
齿根圆角半径过小
表面
粗糙度过高
滚切加工时有损
伤
材料中有夹杂物
残余应
力影响
短时意外过载造成严重应力 集中
动载荷过大
较大硬质
异物进入啮合处
修改齿轮几何参数
降低齿根
表面粗糙度
理
适当的热处理消除残余应 力
避免突然的意外过载 设置安
全装置
表三
齿轮失效分布图
疲劳24
撞击15
麻点
剥落
渗碳层压碎
20
外物落入啮合
区10
过量磨损
擦
伤
划伤18
其他13
3
图一 因润滑不良或啮合不正 确引起的粘附磨损 图二
齿面的中等磨损使节线 变得清晰可见
箭头所示
多
数由润滑油中磨料引起
图三
由于润滑不良和重压力下造 成金属与金属直接接触而产生该 伤
图中磨损表面的水平线是节 线
图四
划伤的早期阶段在齿轮上 部显示出斑点的覆霜似样式 损 伤在这个阶段是轻微的
图五
破坏性的刻伤如图
重的刻伤发生在节线以上或 以下
通常损伤会迅速发展 至齿轮不能使用
4
齿轮失效分析
齿轮是传递运动和动力的重要零件 齿轮种类较多
工作环境不
同 因此有多种不同的失效形式
失效类型由失效齿轮的形貌和失效 过程或机理确定的 失效机理确定后
就可以确定失效原因
提出相 应的对策
齿轮失效类型可以分为四大类 磨损 表面疲劳
塑性变形和折 断 每一大类还可细分为几类 进而使分类更加精细和明确辨别特征 失效的类型可见表一 失效的特征 部位及对策见表二
齿轮的失效 损伤除了以上类型和特征外 还可有其他形式的损伤 如随机断裂 各种材质缺陷造成的损伤 加工工艺不当造成的淬火裂纹
磨削裂纹 等 但此类损伤如在加工过程中加强质检是可以避免的 因此在表二 中未予列出
表一
齿轮失效的类型 分类 失效类型 磨损 轻微磨损 中等磨损
过度磨损 磨粒磨损 腐蚀磨损 轻微胶合 中等胶合 破坏性胶合 局部胶合 表面疲劳 早期点蚀 破坏性点蚀 剥落
塑性变形 碾击塑变 鳞皱 起脊 齿面塑变 折断 疲劳折断 过载折断
1 表二
齿轮损伤特征 原因及对策
损伤特征部位
损伤原因
对策
磨损
齿轮在啮合过程中
轮齿接触表面材料的摩擦损耗现象
1
轻微磨损
接触表面上的
微凸体逐渐磨平
直至出
现非常光滑的表面为止
2
中等磨损
节线上下齿面
材料都有一定磨损
节线
位置呈现出一条近于连
续的线
3
过度磨损
齿廓形状破
坏
磨损率很高
节线附
近有点蚀
传动有噪音和
振动
4
磨粒磨损
轮齿接触表面
沿滑动方向有较均匀的
条痕
多次磨擦条痕重
叠
5
腐蚀磨损
齿面上呈现均
匀分布的腐蚀麻坑
齿面
沿滑动方向伴有腐蚀痕
迹
轮齿接触表面的粗糙度与润 滑粘度
齿面工作速度
工作
载荷不匹配
齿轮在边界润滑状态下工作 润滑系统中有小量的污染杂 质
润滑系统和密封装置不良 系
统有严重振动
冲击载荷
齿面间异物引起磨粒磨损 在
开式齿轮传动中更为严重
轮齿材料发生电化学反应 由
磨擦
冲刷形成腐蚀磨损
高
温时极压添加剂形成磨蚀介 质
此为轻微磨损过程
可适时更
换润滑剂
提高润滑油粘度
降低油温
加入适当的添加剂
加强油液
清洁度管理
对污染杂质增设过滤装置 适
时更换润滑油
改善润滑方式
提高润滑油粘
度
提高工作速度
减轻载荷
跑合后注意清洗
适时换油
开式齿轮箱采取适当防护
防止油液污染
添加剂的成分
和含量适当
建立合理的工艺
规程
胶合
相啮合的齿面金属
在一定压力下直接发生粘着 随着齿面的相对运动
使金属从齿
面上撕落而引起严重的粘着磨损现象
1
轻微胶合
靠近齿顶或齿
根的齿面上沿滑动方向 有极轻微而细密的伤痕 一条喑带
有时要借
助显微镜才能见到痕迹
2
中等胶合
齿顶部
齿根
部均有滑动方向的粘撕 伤痕
较软齿面更明显
3
破坏性胶合
沿滑动方向
呈现明显粘撕痕迹 齿顶
有明显的材料移失迹象 齿廓毁坏
振动
噪音增
大
4
局部胶合
局部区域有齿
面胶合的现象
并不延
伸
扩展
运转初期润滑条件与工作情 况不协调
或轻微干涉存在而 引起
齿轮啮合处局部温度过高
坏润滑油膜
润滑不充分
工作温度过高
齿面接触应力或速度过高引 起的过热
由于安装制造误差 引起载荷
集中
鼓形齿修形量过大 齿
宽较大
局部温升引起变形
控制起动过程的润滑及载荷 排除干涉的起因
降低油温
使用极压添加剂的 润滑油
降低齿面表面粗糙 度
降低载荷及速度
保证一定条件下良好的润滑 采用极压或特殊高粘度的润 滑油
安装精度适当
修形量适当
散热应均匀
油的冷却与供油
部位应适当
齿面呈点状的齿面疲劳损伤
1
早期点蚀
有较小
数量
不多的麻点
2
破坏性点蚀
靠近节线的
齿根表面上
麻点不断扩
展
噪声增大
啮合齿面局部过载 齿形误
差
齿面凸凹不平
轴线歪斜
造成偏载
齿面接触应力过大 节线附近
滑动速度方向变化 油膜不易
形成
提高齿形精度
精心跑合
提高齿面硬度
降低粗糙度
改善润滑
剥落
齿面上材料成片状剥离
2
剥落
形状不规则的片状剥
落坑
较浅平而大的坑
硬齿面上过高的接触应力作 用
疲劳裂纹扩展形成
材料
缺陷
齿面软硬的过度层中裂
纹的延伸扩展
承载力不足应考虑重新设计 提高轮齿芯部硬度
减小应力
集中
塑性变形
在过大应力作用下 轮齿材料因屈服产生塑性流动 而形成齿面和齿体的变形
1
碾击塑变 在齿顶棱和齿
端出现飞边 齿顶滚圆
节线附近有沟槽 脊棱
2
鳞皱
齿面塑变呈鱼鳞状 皱纹
并垂直于滑动速度 方向
3
起脊
整个工作齿面上沿
滑动方向形成明显的脊
棱
4
齿体塑变
轮齿歪扭
齿
形剧变
硬齿面轮齿伴有
变色现象
滚碾冲击作用
接触应力过
高
轮齿材料硬度过低
动载
荷太大以及润滑不良
润滑不良及高压强作用
齿面
爬行
的结果
低速度
振
动引起齿面塑性流动
常发生在重载的蜗杆传动中 准双曲线齿轮传动中
高接触
应力和低滑动速度
不良润滑
材料的塑性流动
润滑失常造成剧烈温升引起 轮齿热塑变形
过大载荷引起
冷塑变形
减小接触应力
提高材料硬
度
降低动载荷
采用极压添
加剂和高粘度润滑油
保证制
造
安装精度
提高齿面硬度
改善润滑
提
高速度
控制齿面的振动
提高材料的硬度
采用粘度
大
有极压添加剂的润滑油
保证润滑油的清洁度
提高润滑油的粘
度
对冷塑变形应提高材料的 屈服极限
轮齿折断
齿轮一个或多个齿的整体或局部断裂
1
疲劳折断
起源于齿根处
的疲劳裂纹扩展造成的
断齿
2
过载断齿
断口较粗糙
无疲劳断裂的特征
高的交变应力多次作用的结 果
齿根圆角半径过小
表面
粗糙度过高
滚切加工时有损
伤
材料中有夹杂物
残余应
力影响
短时意外过载造成严重应力 集中
动载荷过大
较大硬质
异物进入啮合处
修改齿轮几何参数
降低齿根
表面粗糙度
理
适当的热处理消除残余应 力
避免突然的意外过载 设置安
全装置
表三
齿轮失效分布图
疲劳24
撞击15
麻点
剥落
渗碳层压碎
20
外物落入啮合
区10
过量磨损
擦
伤
划伤18
其他13
3
图一 因润滑不良或啮合不正 确引起的粘附磨损 图二
齿面的中等磨损使节线 变得清晰可见
箭头所示
多
数由润滑油中磨料引起
图三
由于润滑不良和重压力下造 成金属与金属直接接触而产生该 伤
图中磨损表面的水平线是节 线
图四
划伤的早期阶段在齿轮上 部显示出斑点的覆霜似样式 损 伤在这个阶段是轻微的
图五
破坏性的刻伤如图
重的刻伤发生在节线以上或 以下
通常损伤会迅速发展 至齿轮不能使用
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