非软面齿轮的运用率无效和处理办法

来源：塑胶五金网发布时间：2014-11-11 15:47:24点击率：

　　硬齿面齿轮具有承载能力高、耐磨性好及体积小等优点，在机械传动中得到了越来越广泛的应用，研究硬齿面齿轮的疲劳破坏对生产具有重要的指导意义。

　　1硬齿面齿轮的接触疲劳失效1.1接触疲劳失效失效的形式有齿面灰斑和点蚀失效等。

　　(1)齿面灰斑。不论渗碳淬火齿轮还是氮化齿轮，在加载运转大约106循环次序后，在大多数齿面上可观察到节线和单齿啮合线之间出现一条轻微的灰斑带，随着运转次数的增加，灰斑越来越严重，其宽度逐渐向节线方向发展。出现灰斑的部位，粗糙度增加，光泽变暗。在扫描电镜下观察可发现，齿面灰斑是由大量微点蚀和微裂纹组成。微点蚀由微裂纹发展而成。

　　(2)点蚀失效。对于渗碳淬火齿轮，当循环次数增加到一定数值时，某一齿面上突然出现一个面积较大的点蚀坑，再运转相当长一段时间后逐步扩散，直至失效。

　　对于氮化齿轮，随着循环次数的进一步增加，灰斑区内大量微点蚀不均匀增大、加深，节线以下出现类似磨损的凹痕，继续运转，在该区域出现一个大点蚀坑，接近或超过失效评定标准。用扫描电镜观察损坏轮齿横断面发现，有起源于齿面、与齿面成大约30°向下延伸的裂纹存在，这些裂纹是齿面个别微点蚀坑底产生的二次裂纹向齿面发展的结果。由一些大点蚀坑下部的疲劳裂纹扩展条带可看出裂纹起源于齿表面，当裂纹发展到一定深度，产生垂直齿面方向的二次裂纹导致整片脱落，形成点蚀坑。

　　1.2失效分析(1)赫兹应力的影响。2个无限长圆柱接触时，接触区的应力为σH=1π×FNb×1R1-μ21E1 1-μ2E2，式中：σH―――接触面赫兹应力;b―――齿面宽度;FN―――法向作用力;E1，E2―――两圆柱体杨氏弹性模量;μ1，μ2―――两圆柱体的泊桑比;R―――当量半径，1R=1R1 1R2;R1，R2―――两圆柱体半径。

　　在直齿轮啮合过程中，FN，R1，R2都随啮合点变化而变化。当R1=R2时，1R达到小值，R1和R2相差越大，则1R越大。

　　一般直齿圆柱齿轮的重合度系数在1～2之间变化，当由双齿啮合进入单齿啮合时，齿面所受的负荷会突然增加。

　　由以上分析可知，赫兹应力大值在单齿啮合起始点。

　　(2)齿面摩擦力的影响。主动轮的齿根高部分和齿顶高部分滑动方向相反，都远离节线，而且离节线越远，滑动系数越大。齿面摩擦力的方向与滑动方向相同，可见，齿面微裂纹的指向正好和齿面摩擦力相反。齿面摩擦力在单齿啮合起始点处大，这将使该区域齿面下大剪应力接近齿面，引发微裂纹和微点蚀产生的二次裂纹向齿面内扩展。

　　(3)硬齿面齿轮的跑合条件差。硬齿面齿轮在工作期间的磨损量很少，即使发生点蚀，齿面的加工刀痕依然存在，这些刀痕形成了很多波峰和波谷。

　　由于在跑合中没有消除波峰，当处于边界润滑状态时，在这些波峰上会产生较大的接触应力，从而导致微裂纹和灰斑的产生。

　　2硬齿面齿轮的弯曲疲劳失效弯曲疲劳断齿基本上是从受拉侧齿根30°切线外开始，进而扩展至全齿断裂。用扫描电镜观察，硬齿面齿轮弯曲疲劳断口可分为3个区域―――裂纹起源区、疲劳扩展区和快速终断区。裂纹一般在齿根表面产生，在该区域完全以严晶的方式断裂。在以下的硬化层内裂纹以解理穿晶和严晶混合方式扩展。在紧接着的基体中，以周期节理疲劳扩展，可观察到极小的疲劳裂纹，再往下则进入韧性疲劳扩展区，在该区域可看到明显的疲劳裂纹及二次裂纹，随后进入快速终断区，该区域为脆断区，可观察到大量韧窝。的硬化层断裂区为准解晶和严晶的混合方式。对氮化齿轮而言，韧性疲劳扩展区大，剪切唇高而且明显。

　　3提高硬齿面齿轮的疲劳强度措施3.1选用合适的润滑油(1)在边界润滑状态下，应使用含极压抗磨添加剂的润滑油。在边界润滑状态下，由于油膜比厚λ<1，齿轮工作时齿面有凸峰相碰的情况发生，这时润滑油的粘度起不到什么作用，降低摩擦、避免磨损的任务要由极压添加剂来承担，添加剂可于金属表面形成物理、化学吸附膜或化学反应膜来保护齿面。

　　(2)在混合状态下，应选用粘度适当的含少量极压抗磨添加剂的齿轮油。混合润状态下1<λ<3，油膜厚度相对增大，有时有齿面相碰的情况发生，摩擦力由凸峰间的摩擦力和润滑油内部的摩擦力2部分构成，齿面负荷由油膜和凸峰共同承担。

　　(3)全膜润滑状态下，油膜比厚λ>3.即油膜厚度远大于表面粗糙度，2运动表面完全被油膜隔开，因此，润滑剂的粘度起主导作用，添加剂不起什么作用。

　　3.2对重要的齿轮采用真空炉渗碳淬火渗碳淬火齿面能产生残余压应力，这对提高齿轮的弯曲疲劳强度十分有利。残余压应力的产生是由于渗碳后轮齿表层的含碳量较高，里层的含碳量较低。在淬火过程中，马氏体开始转变的温度随含碳量的不同而不同，轮齿由表及里的各层次间组织转变顺序的不同产生了残余压应力。表面脱碳会影响到齿面的显微组织，因而会影响到残余应力。

　　对于较重要的齿轮可采用真空炉渗碳淬火的热处理工艺。低档的渗碳钢齿轮，渗碳后直接淬火，不存在二次加热保温淬火的过程，脱碳现象明显减少。

　　3.3硬喷丸强化提高渗碳齿轮疲劳强度对于渗碳齿轮，钢中残余奥氏体量越多，利用硬喷丸强化使残余奥氏体转变成马氏体的量越多，马氏体的微观亚结构被细化，相变膨胀量愈大。同时，位错密度增加，亚晶界更细化，晶格畸变加剧，由此产生的残余压应力及硬度的提高幅度愈大，疲劳寿命相应提高。对喷丸后的齿轮进行时效处理，可使其强度进一步提高。对于20CrMnTi材料的齿轮，喷丸前的组织为高碳马氏体细粒状碳化物较多的残余奥氏体，而喷丸后则生成了更多更细的片状马氏体，碳化物的数量也增多，残余奥氏体明显减少。再经低温时效处理，从马氏体及奥氏体中析出细小的合金碳化物。另外，低温回火能有效地松驰喷丸后产生的高应力场，防止该应力造成疲劳裂纹，相应地提高了齿轮的疲劳寿命。

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