齿轮的失效形式，史上最全

什么是齿轮的失效形式？

齿轮在传动过程中受工作载荷的作用产生工作应力，会导致齿轮产生变形、齿面损伤或整体损坏，致使齿轮失去正常功能而失效，齿轮的失效主要出现在轮齿部分，轮齿的失效形式大体上可以分为2个大类，即轮齿折断和齿面损伤。

其中齿面损伤又可以细分为齿面点蚀、齿面磨损、齿面胶合和塑性变形四种失效形式，齿轮在传动过程中受工作载荷的作用产生工作应力，会导致齿轮产生变形、齿面损伤或整体损坏，致使齿轮失去正常功能而失效。

通常是由于短时过载、严重冲击、材料缺陷等原因造成齿根应力过大形成轮齿的脆性断裂，其断口粗糙，无明显疲劳特征。

工程中轮齿的折断常见的还是疲劳折断，产生的原因如下:轮齿在工作时其受力类似于悬臂梁受力情况，在齿根处的弯曲应力较大，且为交变应力，同时在齿根部位还存在应力集中和初始裂纹，因此轮齿齿根部位的裂纹逐渐扩展，有效承载面积不断减小，当裂纹扩展到一定程度导致轮齿断裂。为了防止轮齿折断，需要提高齿轮抗折断的能力，工程上常用的方法如下:

第1，进行几何参数的优化，比如增大模数、采用正变位等均可有效提升齿轮抗折断的能力。

第2，增大齿根过渡圆角半径及消除加工刀痕，减小齿根部位的应力集中。

第3，增加支撑刚度，使载荷沿齿面分布均匀。

第4，采用合适的热处理，增加芯部的韧性。提高轮齿的抗冲击能力。

第5，采用喷丸、滚压等方法进行齿根表层强化处理。

闭式齿轮常出现的另外一种失效形式为齿面点蚀。齿面点蚀是齿轮表面的一种疲劳损伤形式，其主要特征为齿面金属材料移失，并在齿面上形成连片的麻点状凹坑。

齿面点蚀的出现会破坏轮齿的齿廓形状，降低传动效率，加剧轮齿的振动噪声。因此当齿面点蚀达到一定程度后，齿轮就不能正常工作了。

研究表明，齿轮在接触传载时齿面为线接触，会产生较高的交变接触应力，在这种交变应力的反复作用下，齿面会产生疲劳裂纹，润滑剂被挤入裂纹，油模压力进一步挤胀裂纹，使得齿面表层金属剥落，形成点蚀。点蚀一般先出现在节线附近的齿根表面上，再向其它部位扩展。

这是因为轮齿在节线附近啮合时相对滑动速度较低，油膜不易形成，同时啮合的齿对数较少而接触应力较大。

此外，点蚀常发生于闭式软齿面传动中，硬齿面齿轮由干齿面硬度较高，其抗点蚀能力大大加强。开式传动中一般不会出现点蚀现象，因为轮齿表层材料还来不及产生点蚀即被磨掉。为了提高齿轮抗点蚀能力，在设计时应选择合理的几何参数，减少齿面间的接触应力，应适当提高齿面硬度、减小齿面粗糙度，在使用时则应选择合理的润滑剂。

齿面磨损

它是指齿轮表面作相对滑动时出现的齿面金属材料的移失，损伤性磨损包括磨料磨损和过度磨损，磨损后齿轮齿廓形状破坏，齿厚减薄最终失效。齿面磨损是开式齿轮传动的主要失效形式，在制造及使用齿轮时提高齿面硬度、减小齿面粗糙度、保持润滑油清洁均可有效减轻齿面磨损。

齿面胶合

齿面胶合是指齿面间润滑油膜的破裂导致的一种齿面间局部胶合，使得齿面材料沿相对滑动方向发生迁移，在低速重载工况下易出现热胶合。提高齿面硬度、减小齿面粗糙度，选择合理的润滑剂均可减轻齿面胶合。

塑性变形

这一失效形式常出现于重载、频繁启动或经常过载的场合，在这些工况下往往存在较大载荷及摩擦力，使得表面材料产生塑性流动，破坏了齿廓形状，提高齿面硬度，适当提高润滑油粘度可有效防止塑性变形。

前面给大家介绍了齿轮的主要失效形式，在设计齿轮时应根据使用工况确定出主要失效形式，进而确定出设计准则。

对于开式齿轮传动，其主要失效为磨损和断齿，故一般按弯曲疲劳强度计算，然后将模数放大10-20%。对于闭式齿轮传动，如果在中等转速和中等载荷工况下工作，易产生齿面点蚀和轮齿折断，故需要对这两种强度进行校核。

如果工作在高速重载或有严重过载、冲击的工况下，还需要齿面胶合校核或静强度校核。

文案来源：时光工作室签约写手——海草

排版编辑：时光

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来源：非标机械专栏