齒輪是常用機械傳動件，齒輪斷裂輕則必須停機維修，重則危及設備安全甚至造成重大事故。齒輪斷裂后簡單的更換并不能排除齒輪再次斷裂的風險，需要分 析齒輪致斷因素并加以改進。為了建立齒輪失效信息庫，尋求接近齒輪斷裂影響因素全集，我們收集了大量來自不同設備的 斷裂處輪信息，對其中部分樣本進行了分析。斷裂齒輪樣本出自軋鋼機、采煤機、牽引機車、鼓風機、船用發動機、起重機、飛機、工程機械、采油機械、礦井提升 機和大型拋物天線等多種設備中的圓柱直齒輪、斜齒輪、齒輪軸和錐齒輪等，設備和齒輪受載類型有一定代表性。

    1齒輪斷裂致斷因素的分類及相關性分析

    齒輪生命期按時序可分為設計、制造、使用和維護、失效報廢等幾個階段。為了避免早斷失效，需要確定齒輪生命期中那些因素影響齒輪斷裂。齒輪斷裂有的是單一因素所致，有的是一個或多個階段多因素組合致斷。

    2齒輪生命期不同階段影響齒輪斷裂的因素

    2.1設計階段影響齒輪斷裂的因素

    對斷裂齒輪樣本的數據表明，設計階段對發生齒輪斷裂影響最大的因素分別是齒輪結構設計缺陷與齒根或齒頂過渡圓角過小、配合過盈量過大、材料選擇不當、安全系數小、齒輪模數、壓力角選擇不當、行波共振。

    2.1.1齒輪結構與過渡圓角設計對齒輪斷裂的影響   在齒輪斷裂樣本中，齒輪結構與齒輪上過渡圓角設計對齒輪斷裂影響頻次超過設計階段影響頻次總數的1/3，相關性十分明顯。

    齒 輪斷裂樣本中，疲勞斷裂超過50%.既為疲勞斷裂，一般存在裂紋源。齒輪的結構設計缺陷如截面形狀突變、厚薄不勻、鍵槽、油孔等設計不當容易產生裂紋，而 齒頂或齒根處的過小的過渡圓角，既容易在熱處理過程中產生裂紋，又容易在工作載荷作用下產生應力集中，致其裂紋擴展直至斷裂。齒輪斷裂實例證明齒根裂紋形 成對過小的過渡圓弧半徑具有較強敏感性。

    2.1.2配合中的過盈量過大對齒輪斷裂的影響   齒輪裝配過盈量過大，就要求較大的熱裝膨脹量，因此需要更高的加熱溫度，而過高的加熱溫度可能與材料的熱處理溫度相沖突，還造成齒輪過度膨脹，裝配后在齒 根處留下較大的裝配拉應力。又因為加熱方式很難保證齒輪均勻加熱，導致齒輪受熱不均，又會惡化齒根處的裝配拉應力分布狀況。

    齒輪設 計中，往往按常規計算齒輪齒面接觸強度和齒根彎曲強度，容易忽略多因素產生的應力對整個齒輪產生的疊加影響，如過盈裝配產生的切向拉應力、傳遞轉距時產生 的彎曲拉應力、次表層熱處理的殘余拉應力、磨削應力以及銷槽造成的應力集中諸應力綜合作用。某發動機正時齒輪雖滿足一般設計強度要求，卻因上述應力綜合作 用致齒輪軸向斷裂。

    除了直接影響齒輪斷裂，也有間接因素影響齒輪斷裂，如某鼓風機葉輪與軸采用過盈配合，裝配時采用加熱葉輪、自然冷卻工藝，轉子在冷卻過程中產生了軸伸彎曲變形，運轉中引起齒輪載荷不均和沖擊致最終斷裂。

    2.2制造階段影響齒輪斷裂因素

    斷裂齒輪樣本因素數據表明，制造階段對齒輪斷裂影響較大的依次是熱處理、裝配質量、齒根表面粗糙度、鑄鍛焊質量、加工刀痕，其中63%的齒輪斷裂與熱處理相關。

    2.2.1熱處理對齒輪斷裂的影響   熱處理對齒輪斷裂影響因素中，齒根齒表齒端硬度不足、滲透層過淺過深或不均、熱處理不適、回火不充分、組織粗大、黑色網狀組織等為影響主因。

    (1) 齒根齒表齒端硬度低對齒輪斷裂的影響：熱處理通過齒輪表面和心部硬度、硬度梯度及組織均勻性影響其力學性能。較低的齒表硬度降低了齒輪表面接觸疲勞強度， 在交變應力作用下，齒合面逐漸磨損，形成磨損嚴重的齒面和表面麻點甚至剝落坑。這時，齒輪傳動重合度減小，相鄰齒輪承受傳動負載增大，傳動時產生沖擊，平 穩性下降。實驗結果表明，齒合面磨損后的齒根最大拉應力顯著增大，輪齒處于危險狀態，容易斷裂。齒根處硬度較低則降低齒輪的彎曲疲勞強度。

    (2) 滲透層深度及厚薄不均對齒輪斷裂的影響：齒面硬化層深度不足和齒心部硬度低，在接觸載荷作用下，較薄的滲透硬化層難被較軟的心部支承而被壓碎，硬化層產生 剝落和齒體塑性都使運動間隙增大，產生沖擊載荷。沖擊載荷使齒根產生的疲勞裂紋加速擴展，致有效承載截面減小，最后不能承受工作載荷而突然斷齒。

    從表層到心部硬度梯度太陡，在表層和心部的界面上會產生較強的殘余拉應力。當工作應力與殘余拉應力共同作用是容易在此界面上引起裂紋并因疲勞而擴展。過陡的硬度梯度不但加速了裂紋在過渡區內的形成，還會引起深層剝落，加速齒輪的早期斷裂。

    2.2.2齒輪裝配質量對齒輪斷裂的影響機制：齒輪裝配質量從多個方面影響齒輪斷裂失效

    (1) 齒輪或軸與軸承配合誤差較大時，容易造成齒輪偏載和沖擊。齒輪偏載導致齒合區域不正常，既減小齒合面積，使單位面積承受載荷顯著增大；又使齒合位置偏移， 即最大受力點偏移，造成齒輪本身受力不均勻，偏載處往往因受力集中導致齒輪斷裂。這種錯位齒合產生沖擊和偏載，最終是齒輪早期斷裂。

    (2)配合過盈量過大造成裝配應力過大，在齒輪上產生較大的殘余拉應力，甚至可能超過外載荷產生的彎曲應力，兩種應力共同作用時可能超過齒輪抗彎強度致齒輪斷裂。

    2.2.3齒根表面粗糙或刀痕對齒輪斷裂的影響

    齒根表面粗糙和存在的刀痕易誘發疲勞裂紋。齒輪輪齒承載方式為懸臂加載，最大彎曲應力在齒根部，齒根處過渡圓角過小產生應力集中，在該處形成應力疊加，交變 應力作用于齒根處的裂紋并致其擴展，直致輪齒殘留斷面不足以承受工作載荷時瞬間斷裂。斷裂齒輪的斷口形貌分析表明，輪齒斷口上的多個疲勞裂紋源都出現在機 加工刀痕處。

    2.3材料對齒輪斷裂的影響因素

    2.3.1材料中夾雜物對 齒輪斷裂的影響機制   齒輪鋼強度一般較高，而鋼的強度越高，塑性越低時，對缺口的敏感效應越明顯。當齒輪受外力作用時，材料中的夾雜物難以變形，而它周圍的金屬在很大張力下發 生變形流動，使金屬和夾雜物界面分離，形成空隙，非金屬夾雜物在鋼中起缺口和應力集中作用，因此產生裂紋并加速其擴展，從而導致齒輪斷裂。

    2.3.2 齒輪材料力學性能不足對齒輪斷裂的影響機制   有的斷裂齒輪呈脆斷特征，明顯表現為材料性能不合。有的雖呈塑性斷裂，但其性能不足以抵抗外載荷，如無選材不當，則表示制造過程尤其是熱處理未獲得必需的 力學性能。力學性能是“齒輪材料+熱處理工藝”組合實現的，力學性能不足或因熱處理工藝不適，需要改善工藝；或者即使嚴格按照熱處理工藝執行，也不能獲得 期望的力學性能，屬選材不當，需要重新選擇。

    2.4使用階段影響因素

    過載和沖擊載荷為使用階段影響齒輪斷裂的主因。首先，設計時對使用條件的判斷可能失準，缺少過載能力的合理儲備和過載保護設計，這要在安全系數設定時解決； 其次是未在使用說明書中明確界定使用條件；第三，雖有說明，但未對使用者進行必要培訓，預防使用中過載和沖擊載荷出現。沖擊載荷峰值大且持續時間短，多為 偶發因素，除了合理的抗沖擊載荷能力儲備和峰值攔截設計外，需要減少使用中出現沖擊載荷的機會，尤其要避免出現過大的沖擊載荷峰值。偏載引起應力集中，惡 化承載齒輪條件，使齒輪局部超過承載能力而斷裂。提高裝配和安裝質量是減少齒輪偏載的重要途徑。

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