重载齿轮失效判据

中信重型机械公司、西安重型机械研究所。

武文辉、黄丽达等。

齿轮传动是靠齿与齿的啮合进行工作的，轮齿是齿轮直接参与工作的部分，所以齿轮的失效主要发生在轮齿上。主要的失效形式有轮齿折断、齿面点蚀、齿面磨损、齿面胶合以及塑性变形等。

1．轮齿折断

轮齿折断通常有两种情况：一种是由于多次重复的弯曲应力和应力集中造成的疲劳折断；另一种是由于突然产生严重过载或冲击载荷作用引起的过载折断。尤其是脆性材料（铸铁、淬火钢等）制成的齿轮更容易发生轮齿折断。两种折断均起始于轮齿受拉应力的一侧。增大齿根过渡圆角半径、改善材料的力学性能、降低表面粗糙度以减小应力集中，以及对齿根处进行强化处理（如喷丸、滚挤压）等，均可提高轮齿的抗折断能力。

2．齿面点蚀

轮齿工作时，前面啮合处在交变接触应力的多次反复作用下，在靠近节线的齿面上会产生若干小裂纹。随着裂纹的扩展，将导致小块金属剥落，这种现象称为齿面点蚀。齿面点蚀的继续扩展会影响传动的平稳性，并产生振动和噪声，导致齿轮不能正常工作。点蚀是润滑良好的闭式齿轮传动常见的失效形式。提高齿面硬度和降低表面粗糙度值，均可提高齿面的抗点蚀能力、开式齿轮传动，由于齿面磨损较快，不出现点蚀。

3．齿面磨损

轮齿啮合时，由于相对滑动，特别是外界硬质微粒进入啮合工作面之间时，会导致轮齿表面磨损。齿面逐渐磨损后，齿面将失去正确的齿形，严重时导致轮齿过薄而折断，齿面磨损是开式齿轮传动的主要失效形式。为了减少磨损，重要的齿轮传动应采用闭式传动，并注意润滑。

4．齿面胶合

在高速重载的齿轮传动中，齿面间的压力大、温升高、润滑效果差，当瞬时温度过高时，将使两齿面局部熔融、金属相互粘连，当两齿面做相对运动时，粘住的地方被撕破，从而在齿面上沿着滑动方向形成带状或大面积的伤痕，低速重载的传动不易形成油膜，摩擦发热虽不大，但也可能因重载而出现冷胶合。采用黏度较大或抗胶合性能好的润滑油，降低表面粗糙度以形成良好的润滑条件；提高齿面硬度等均可增强齿面的抗胶合能力。

5．齿面塑性变形

硬度较低的软齿面齿轮，在低速重载时，由于齿面压力过大，在摩擦力作用下，齿面金属产生塑性流动而失去原来的齿形。提高齿面硬度和采用黏度较高的润滑油，均有助于防止或减轻齿面塑性变形。

在解决纤维段裂，纤维拔出，纤维压入，微珠脱粘等四种测定界面剪切强度试验方法给出矛盾结果的问题中，我们发现界面端应力奇异性是症结所在，据此得以对四种试验方法进行理论评定，并指明设计界面剪切强度的标准测定方法的途径。本项目研究界面端应力奇异性失效判据是上述研究的扩展。界面端应力奇异性是迄今所知的最复杂的应力奇异性，包括无奇异、奇异和振荡奇异，且奇异性指数不是常数，在0到-0.5之间。此种界面端开始脱粘的规律，尚未被报道过。为此，我们特别设计锥面－拔出等试件来进行实验研究；通过理论分析，提取表征界面端奇异性应力场的特征参量；最终建立界面端应力奇异性失效判据；并进行判据的应用研究。由于界面端应力奇异性失效判据覆盖界面裂纹奇异性和无奇异性，所建立的界面端应力奇异性失效判据应是界面，界面裂纹与界面端所有情况的失效判据的统一表达式。本项目将为复合材料界面力学填补界面端方面的空缺。 2100433B