齿轮常见故障详解：从断齿到点蚀的失效机制
齿轮常见故障详解：从断齿到点蚀的失效机制
齿轮作为机械传动系统中的关键部件，其可靠性和寿命直接影响整个系统的性能。本文系统地介绍了齿轮常见的失效形式，包括断齿、弯曲疲劳、点蚀、冷流等，并通过实例和图片帮助读者更好地理解这些故障的特征和成因。
断齿
断裂通常是由于加工和装配错误或轴的大弹性变形造成的沿齿长方向的载荷集中；齿磨损伤导致齿强度变弱，从而使得动态载荷增加。在轴不断旋转的情况下将齿轮的滑动方式换成了啮合。由于轮齿的的形状决定，裂纹通常在拉伸纤维一侧的轮齿根部形成，在该处拉伸应力与局部应力一起出现。折断主要发生在通过齿根部位的横截面。
在疲劳失效的情况下，断裂在齿轮本体中呈凹形；当故障是由于过载时，它是凸形的。人字形或宽面斜齿轮的齿通常沿倾斜的横截面折断。为防止断齿，通过计算检查轮齿的梁强度。齿轮齿表面层的疲劳点蚀是最严重和最普遍的一种齿损伤，即使它们是封闭的、良好的润滑和防尘的，也可能发生在齿轮中。
弯曲疲劳
弯曲疲劳失效是在齿轮副运行很长一段时间后发生。裂纹的萌生在最薄弱的点，通常在齿根或圆角处，那里存在高应力集中以及来自弯曲或表面缺陷的最高拉伸应力。裂纹在 80% 到 90% 的寿命中缓慢扩展。
然后裂纹迅速扩展并突然导致轮齿齿断裂。断裂面在裂纹扩展缓慢区呈现滩痕，在突然断裂区呈现脆性断裂痕迹。由于这种失效所需的时间很长，因此称为高周疲劳（high-cycle fatigue）。
低周疲劳（过载）
过载断裂或短（低）周疲劳会导致断裂的延展性材料出现拉丝状的纤维状外观。在较硬的材料中，这种断裂具有更丝滑或结晶的外观。
点蚀
点蚀是齿轮齿的表面疲劳失效。它是由于齿面受到反复载荷和超过材料表面疲劳强度的接触应力而发生的。疲劳区域中的材料被去除并形成凹坑。凹坑本身会引起应力集中，很快凹坑会扩散到相邻区域，直至覆盖整个表面。随后，由点蚀产生的更高冲击载荷可能导致已经弱化的轮齿发生断裂。失效过程发生在数百万次的运行循环中。有两种类型的点蚀，初始的和渐进的。
初始/初期点蚀
初始点蚀发生在磨合期，其中表面上的超大峰被移走，在节线区域下方形成 25 至 50 μm 深的小坑。随后，负载分布在更大的表面积上，应力下降，这可能会阻止点蚀的进展。
在下图所示的斜齿轮中，点蚀开始是由于轻微的未对中而导致的局部过载，并在齿根部分的齿上进展到中面。在这里，麻点停止了，麻点表面开始被抛光和打磨。这种现象在中硬齿轮中很常见。在磨合良好的材料齿轮上，磨合后点蚀可能会停止，实际上对传动性能没有影响，因为形成的点蚀会随着滚动作用逐渐变平。初始点蚀是非渐进的。
渐进式/破坏性点蚀
在初始点蚀过程中，如果载荷高且对初始点蚀的纠正措施无法抑制点蚀的进展，则会出现破坏性的点蚀。点蚀遍布整个齿长。点蚀导致未点蚀表面上的压力更高，将润滑剂挤入点蚀并最终导致表面卡住。
点蚀从齿面附近的区域开始，该线通过节点，由于低滑动速度而存在高摩擦力。然后它蔓延到齿面的整个表面。仅在极少数情况下，齿面才会出现点蚀。
冷流
当在滚动和滑动作用下受到高接触应力时，齿面会产生塑性流动。由于表面或地下材料的屈服而发生表面变形。通常它出现在较软的齿轮材料中。但即使在重负载的表面硬化齿轮中也会发生这种情况。在锥齿轮中可以清楚地看到齿尖上的冷流材料。
凸起和凹槽
当中等负载的较软齿轮运行一段时间时，它们会沿着节线形成一条狭窄的明亮光洁度带。这是由于在节线上的滑动方向反转。球墨钢制齿轮在运行时间较长或负载较重后，往往会出现沿轮节线的凸纹和小齿轮节线上的凹槽。
根据摩擦力的方向，从动齿轮齿上的材料塑性流动朝向节点，并导致在通过该点的线处形成脊。在驱动齿轮中，流动远离这条线并形成凹槽。原因是润滑剂粘度过低和表面硬度不足。
波纹
波纹是与滑动方向成直角的周期性波浪状结构。外观呈鱼鳞状，常见于硬化齿轮表面。它是一种具有非常薄油膜的微观磨损或塑性变形。显示了螺旋锥齿轮中的这种故障。
齿轮噪音
齿轮噪音的产生有几个原因。接触点处因齿形误差、表面粗糙度、齿冲击及滑动、滚动摩擦；轴承、润滑剂的搅动和风阻等等因素。
消除噪音的主要方法是：改进轮齿精加工手段，改用斜齿轮，通过齿形修形，增加接触比，沿齿缘端面宽度均衡负载，使用冠状齿轮，以及改进盖子和外壳的设计。