7.3 齿轮失效形式分析（课件）-《机械基础》同步精品课堂（高教版·第2版）

《机械基础》高教版（第2版） 同步精品课程——中职专业课 第七章 齿轮 齿轮失效形式分析 知识目标 了解齿轮的常用材料与结构。 了解齿轮轮齿常见的失效形式。 能力目标 熟悉齿轮传动的维护方法。 情感目标 结合机械基础课程内容特点，认识到加入工匠精神、职业道德、节能减排是当下亟需解决的问题，培养学生关注国家时事，让自己成为国家栋梁之材。 学习目标 第七章 齿轮 导入情景 01 图所示是一些在机械设备中失效的齿轮。根据表现出的特征指出它们的失效形式 及原因；从使用和维护方面考虑，采取什么措施可以避免或延迟失效? 新知学习 02 一、齿轮常用材料 齿轮常用材料 开式传动和不重要 的场合的齿轮也可用灰铸铁制造； 在小功率高速齿轮传动中，为降低噪声，常用尼龙、夹布胶木 和塑料等作为齿轮材料。 齿轮常用材料主要是优质碳素钢和合金钢，一般多用锻件； 较大直径的齿轮不宜锻造时， 需采用铸钢或球墨铸铁，近年来也常有采用可锻铸铁和蠕墨铸铁制造齿轮； 新知学习 02 一、齿轮常用材料 齿轮常用材料的力学性能与热处理见表。 材料 热处理 R./MPa R.或Ro₂/MPa 硬度 备注   45 调质齿圈 高频淬火   650   360 217~255 HBW 40～50 HRC   铸钢略小于同类钢的性能   40Cr 调质齿圈 高频淬火   700   500 241~286 HBW 48~55 HRC   40Cr可用40MnB、40MnVB代替 20CrMnTi 渗碳后淬火 1100 850 56～62 HRC (表面) 20CrMnTi可用20Mn2B、20MnVB 代替 38CrMoAlA 调质后氮化 1000 850 >850 HV 新知学习 02 二、圆柱齿轮的结构 常见的圆柱齿轮结构有以下几种： (1)齿轮轴对于直径较小的钢制圆柱齿轮，当齿轮的齿顶圆直径小于轴孔直径2倍时， 应将齿轮和轴制成一体，称为齿轮轴，如图所示。 新知学习 02 二、圆柱齿轮的结构 常见的圆柱齿轮结构有以下几种： (2)实心式齿轮当齿顶圆直径d₂≤200mm时，可采用实心式结构，如图所示。 新知学习 02 二、圆柱齿轮的结构 常见的圆柱齿轮结构有以下几种： (3)腹板式齿轮 当齿顶圆直径d=200～500mm时，可采用腹板式结构，如图所示。 新知学习 02 二、圆柱齿轮的结构 常见的圆柱齿轮结构有以下几种： (4)轮辐式齿轮当齿顶圆直径d>500mm时，可采用轮辐式结构，如图所示。 新知学习 02 三 、齿轮失效形式 齿轮失效一般是指传动齿轮轮齿的失效，失效形式主要有以下五种： (1)轮齿折断齿轮轮齿在传递动力时，相当于一根悬臂梁。在齿根处受到的弯曲应力 最大，且在齿根的过渡圆角处具有较大的应力集中(图a)。 新知学习 02 三 、齿轮失效形式 齿轮失效一般是指传动齿轮轮齿的失效，失效形式主要有以下五种： 传递载荷时，轮齿在交变载荷 的不断作用下，在轮齿根部的应力集中处便会产生疲劳裂纹(图a)。 新知学习 02 三 、齿轮失效形式 齿轮失效一般是指传动齿轮轮齿的失效，失效形式主要有以下五种： 随着重复次数的增 加，裂纹逐渐扩展，直至轮齿折断(图b 、c),这种折断称为疲劳折断。 新知学习 02 三 、齿轮失效形式 齿轮失效一般是指传动齿轮轮齿的失效，失效形式主要有以下五种： 长期使用的齿轮因严重磨损而导致齿厚过分减薄 时，也容易发生折断。 用脆性较大的材料(如铸铁、淬火钢等)制成的齿轮，由于材料在受到短时过载或过 大的冲击载荷时，常会引起轮齿的过载折断； 2 1 新知学习 02 三 、齿轮失效形式 (2)齿面磨损 齿面磨损分为磨粒磨损和啮合磨损两种情形。由于灰尘、砂粒或金属屑 等进入齿面间而引起的磨损称为磨粒磨损，在开式齿轮传动或含有不清洁润滑油的闭式齿轮 传动中，磨粒磨损是难以避免的。 过量麻损不仅使齿轮失去正常的齿形.还 会使齿厚变薄，产生严重噪声和振动，最后导致轮齿因强度不足而折断，使传动失效，如图所示。 当表面粗糙、硬度不同的两齿轮相啮合时，硬度较小的齿面易被划伤而产生齿面磨损，这种略损称为啮合磨损。 新知学习 02 三 、齿轮失效形式 (2)齿面磨损 新知学习 02 三 、齿轮失效形式 (3)齿面疲劳点蚀齿轮工作时，齿面在交变接触应力、摩擦力和润滑剂的反复作用下 在轮齿表面或其表层内会出现微小的裂纹，随着时间的推移，裂纹逐渐横向扩展形成环状，使齿面金属剥落而形成麻点状凹坑，这种现象称为齿面的疲劳点蚀，如图所示。 新知学习 02 三 、齿轮失效形式 (3)齿面的疲劳点蚀。 点蚀首先 出现在分度线附近靠近齿根一侧，然后再向其他部位扩展。疲劳点蚀会使轮齿啮合精度和平 稳性下降，从而影响齿轮传动的正常使用和寿命。 润滑油的黏度越高，齿面间越容易形成油膜，点蚀越不容易发生；开式齿轮传动齿面磨损 较快，大多数情况是在出现点蚀前已磨损。 01 02 新知学习 02 三 、齿轮失效形式 (4)齿面胶合 齿面胶合是由于齿面间未能有效地形成润滑油膜，导致齿面金属直接接 触，并在随后的相对滑动中，相互粘连的金属沿着相对滑动方向相互撕扯而出现一条条划痕， 如图所示。齿面胶合会引起振动和噪声，导致齿轮传动性能下降，甚至失效。 新知学习 02 三 、齿轮失效形式 (4)齿面胶合 齿面胶合会引起振动和噪声，导致齿轮传动性能下降，甚至失效。 高速重载齿轮传动因摩擦导致局部温度上升或低速重载齿轮传动由于齿面间压力很高， 都会导致油膜破裂而使金属粘着，发生齿面胶合。 01 02 新知学习 02 三 、齿轮失效形式 (5)齿面塑性变形 由于轮齿材料过软，当轮齿上的载荷所产生的应力超过材料的屈服强度 时，轮齿就会发生齿面塑性变形 01 主要有两种情形，一是当轮齿上受到冲击载荷作用时，在较软齿面 的接触部位会出现压痕； 02 二是当润滑不良而导致齿面产生过大的摩擦力时，齿面材料有可能沿着摩 擦力的作用方向发生局部塑性流动，在主动轮的轮齿上，摩擦力方向背离分度线，齿面金属的流动 导致分度线处下凹，在从动轮的轮齿上，摩擦力方向指向分度线，齿面金属的流动导致分度线处 凸起 03 新知学习 02 三 、齿轮失效形式 (5)齿面塑性变形 如图所示。齿面塑性变形破坏了正确齿形，影响齿轮传动的精度和平稳性，导致齿轮失效。 新知学习 02 四、齿轮传动的维护 齿轮啮合面不清洁、润滑不良、超速运行、超载运行是齿轮失效的重要原因，因此齿轮传动 在日常维护中应做到以下几点： (1)对开式齿轮传动，及时清除齿轮啮合工作面的污染物，保持齿轮清洁。 (2)正确选用齿轮的润滑油(脂),保持齿轮工作在正常的润滑状态。按规定经常检查润 滑系统的工作状况，定期补充油量或更换润滑油。 (3)经常检查齿轮传动啮合状况和工作状况，注意齿轮工作的声音或箱体过热现象。 (4)禁止超速、超载运行。 新知学习 02 四、齿轮传动的维护 齿轮失效形式、产生原因、维护措施 图号 失效形式 工作环境 产生原因 维护措施   图7-19a   轮齿折断 闭式传动、开式 传动 齿根处弯曲应力过大；短 时过载   禁止超速、超载运行   图7-19b 齿面 疲劳点蚀   闭式传动 齿面接触应力过大；润滑 油黏度小 采用黏度高的润滑油及适 宜的添加剂   图7-19c   齿面磨损 开式传动；润滑 不洁的闭式传动 灰尘、金属屑等杂物进入 啮合区 及时清除啮合面的污染物； 使用清洁的润滑油   图7-19d   齿面胶合   闭式传动 齿面间压力太大；齿面局 部温升过高，润滑失效；润滑 不良   在润滑油中加入抗胶合的 极压添加剂，保证良好润滑   图7-19e 齿面塑性 变形   闭式传动 齿面硬度较低；齿面压力 过大，润滑不良 采用高黏度或加有极压添 加剂的润滑油，避免过载 新知学习 02 齿轮传动精度的概念 对于单个渐开线圆柱齿轮，国家标准GB/T 10095.1—2022给出了齿轮齿面基本偏差的定 义以及各个精度等级的公差，从高到低为I级至Ⅱ级 由于齿轮加工和齿轮副安装过程中存在误差，影响到齿轮传动的准确性、平稳性和载荷分 布的均匀性、因此有必要限制齿轮的加工和安装误差，保证齿轮的传动精度。 共分为两级；GB/T 10095.2—2023给 出 丁齿轮径向综合偏差的定义以及各个精度等级的公差，从高到低为R30 至 R50, 共分为21级。 01 02 03 齿轮传动精度 新知学习 02 齿轮传动精度的概念 选用的精度过低，不能满足使用要求；反之，若精度要求过高，将给加工带来困 难，提高制造成本。 齿轮精度等级主要根据传动的使用条件、传递的功率、圆周速度，以及其他经济、技术 要求决定。 因此，根据齿轮的实际工作条件，对齿轮加工精度提出适当的要求至关 重要。 01 02 03 齿轮精度等级 课堂小结 03 小试牛刀 1.齿轮失效最常见的形式是什么？ A. 齿面磨损 B. 齿面点蚀 C. 轮齿折断 D. 齿面胶合 答案: C 小试牛刀 2.齿面点蚀通常首先出现在齿轮的什么位置？ A. 齿顶 B. 齿根 C. 节圆附近 D. 齿面中部 答案: B 小试牛刀 3.齿轮的齿面胶合一般发生在什么条件下？ A. 低速轻载 B. 高速重载 C. 良好的润滑 D. 无润滑 答案: B 小试牛刀 4.齿轮的塑性变形通常是由什么引起的？ A. 过载 B. 润滑不良 C. 材料疲劳 D. 冲击载荷 答案: A 小试牛刀 5.齿轮失效中，由于润滑条件不良导致的失效形式主要是？ A. 齿面点蚀 B. 齿面磨损 C. 轮齿折断 D. 齿面胶合 答案: D 小试牛刀 6.齿轮的弯曲疲劳断齿通常发生在齿轮的哪个部位？ A. 齿顶 B. 齿中部 C. 齿根 D. 齿面 答案: C 小试牛刀 7.齿轮的磨损失效通常与哪些因素有关？ A. 润滑条件 B. 齿轮材料 C. 齿轮硬度 D. 所有以上因素 答案: D 小试牛刀 8.齿轮的磨损失效通常与哪些因素有关？ A. 润滑条件 B. 齿轮材料 C. 齿轮硬度 D. 所有以上因素 答案: B 作业布置 04 1.齿轮失效主要有哪几种形式？ 2.齿面点蚀是如何产生的？ 3.轮齿折断的主要原因是什么？ 感谢观看 $$