1）轮齿的失效形式
齿轮失效多发生在轮齿上，齿轮其他部分（如轮缘、轮辐、轮毂等）一般只按经验公式进行结构设计，强度和刚度均较富裕，故不必考虑失效问题。
轮齿的主要失效形式有轮齿折断、齿面点蚀、齿面磨粒磨损、齿面胶合及齿面塑性变形等。现分述如下：
（1）轮齿折断
轮齿折断是齿轮失效中最危险的一种失效形式。它不仅使齿轮传动丧失工作能力，而且可能引起设备和人身事故。
轮齿折断有疲劳折断和过载折断两种类型。
①疲劳折断。
齿轮工作时，轮齿根部将产生相当大的交变弯曲应力，并且在齿根的过渡圆角处存在较大的应力集中。因此，在载荷多次作用下，当应力值超过弯曲疲劳极限时，将产生疲劳裂纹。随着裂纹的不断扩展，最终将引起轮齿折断（见图3.49），这种折断称为弯曲疲劳折断。这种失效形式经常发生在闭式硬齿面齿轮传动中，发生部位在齿根。
②过载折断。
因短时的严重过载或冲击载荷过大，故轮齿因静强度不足突然折断。这种失效形式常发生在淬火钢或铸铁制成的齿轮传动中。
为提高齿轮抗折断的能力，可采用提高材料的疲劳强度和轮齿芯部的韧性，加大齿根圆角半径，提高齿面制造精度，采用齿面喷丸处理等方法来实现。
（2）齿面点蚀
齿面承受脉动的接触应力，当接触应力超过接触疲劳极限时，齿面表层产生细小的微裂纹，裂纹扩展从而导致齿面金属以甲壳状的小微粒剥落，形成磨点（见图3.50），这种现象称为齿面点蚀。齿面出现点蚀后，会因齿面不平滑而引起振动和噪声，严重时导致失效。齿面点蚀主要发生在闭式软齿面齿轮传动中，而开式齿轮传动因齿面磨粒磨损比齿面点蚀发展得快，因而不会发生齿面点蚀失效。齿面点蚀发生部位在齿根表面靠近节线处。
图3.49 轮齿折断
图3.50 齿面疲劳点蚀
为防止过早出现疲劳点蚀，可采用增大齿轮直径、提高齿面硬度、降低齿面的表面粗糙度值及增加润滑油的黏度等方法。
（3）齿面磨粒磨损
由于金属微粒、灰尘、污物等进入齿轮的工作表面，因此在齿轮运转时，会将齿面材料逐渐磨损，如图3.51所示。磨损不仅会使轮齿失去正确的齿形，还会使轮齿变薄，严重时引起轮齿折断。齿面磨粒磨损是开式齿轮传动的主要失效形式，通常发生部位在轮齿表面。
为防止磨粒磨损，可采用闭式传动、提高齿面硬度、降低齿面的粗糙度及保持良好清洁的润滑等方法。
（4）齿面胶合
高速重载的齿轮传动，由滑动速度高而产生的瞬时高温会使油膜破裂，造成齿面之间的黏焊现象，黏焊处被撕脱后，轮齿表面沿滑动方向形成沟痕（见图3.52），这种现象称为齿面胶合。齿面胶合破坏了正常的齿廓，严重时导致失效。齿面胶合主要发生在高速重载的齿轮传动中，发生部位在轮齿表面。
为防止齿面胶合，可采用良好的润滑方式，限制油温，采用抗胶合添加剂的合成润滑油、提高齿面硬度和降低齿面粗糙度等方法。
（5）齿面塑性变形
在严重过载，启动频繁或重载传动中，较软齿面会发生塑性变形（见图3.53），破坏正确齿形，致使啮合不平稳，产生较大噪声和振动。齿面塑性变形主要发生在启动频繁、有大的过载齿轮传动中。发生部位在轮齿表面的节线附近。
图3.51 齿面磨粒磨损
图3.52 齿面胶合
图3.53 齿面塑性变形(www.xing528.com)
为防止齿面塑性变形，可通过提高齿面硬度，采用黏度较高的润滑油等方法，遵守操作规程。
2）齿轮材料选择
（1）齿轮的材料
常用齿轮的材料有优质碳素钢、合金结构钢、铸钢、铸铁及非金属材料等。常用齿轮材料及其力学性能见表3.13。
除尺寸较小、普通用途的齿轮采用圆轧钢外，大多数齿轮都采用锻钢制造；对形状复杂、直径较大（da≥500mm）和不易锻造的齿轮，才采用铸钢；传递功率不大、低速、无冲击及开式齿轮，可采用灰铸铁。
有色金属仅用于制造有特殊要求（如抗腐蚀、防磁性等）的齿轮。
对高速、轻载及精度要求不高的齿轮，为减少噪声，也可采用非金属材料（如塑料、尼龙和夹布胶木等）做成小齿轮，大齿轮仍用钢或铸铁制造。
表3.13 常用齿轮材料及其力学性能
续表
（2）齿轮的热处理
①渗碳淬火。
材料：低碳钢、低碳合金钢，如20，20CrMnTi 等。
特点：齿面硬度56～62HRC，芯部韧性较高，接触强度高，耐磨性好，抗冲击载荷能力强。
应用：对尺寸和质量有严格要求的重要设备中。
②表面淬火。
材料：中碳钢、中碳合金钢，如45，45Cr 等。
特点：齿面硬度53～56HRC，芯部未淬硬有较高的韧性；接触强度高，耐磨性好，能承受一定的冲击载荷。
③调质。
材料：中碳钢、中碳合金钢。
特点：齿面硬度220～280HBS。
应用：对尺寸和质量没有严格限制的一般机械设备中。
④正火。
材料：中碳钢、铸钢、铸铁。
特点：承受能力低，制造成本低。
（3）齿轮材料的组合
通常齿轮材料采用软齿面组合和硬齿面组合两种形式。
①软齿面组合。
齿轮材料常用优质碳素钢。为了使小齿轮的承载能力能与大齿轮接近，小齿轮的材料要优于大齿轮。对直齿轮、小齿轮的齿面硬度，一般要高于大齿轮齿面硬度20～25HBS；对斜齿轮，则要高于40～50HBS。一般齿轮传动多采用这种组合。
②硬齿面组合。
齿轮的材料选用合金钢。小齿轮材料优于大齿轮，两齿轮的齿面硬度可大致相同。一般传动尺寸受结构限制的齿轮，可采用这种组合方式。
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