齒輪是常用機械傳動(dòng)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(jiǎn)單的更換并不能排除齒輪再次斷裂的風(fēng)險，需要分 析齒輪致斷因素并加以改進(jìn)。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(lái)自不同設備的 斷裂處輪信息，對其中部分樣本進(jìn)行了分析。斷裂齒輪樣本出自軋鋼機、采煤機、牽引機車(chē)、鼓風(fēng)機、船用發(fā)動(dòng)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(xiàn)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(lèi)型有一定代表性。

　　齒輪斷裂致斷因素的分類(lèi)及相關(guān)性分析

　　齒輪生命期按時(shí)序可分為設計、制造、使用和維護、失效報廢等幾個(gè)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(gè)或多個(gè)階段多因素組合致斷。

　　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(fā)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(guò)渡圓角過(guò)小、配合過(guò)盈量過(guò)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(guò)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(guò)渡圓角設計對齒輪斷裂影響頻次超過(guò)設計階段影響頻次總數的1/3，相關(guān)性十分明顯。

　　齒輪斷裂樣本中，疲勞斷裂超過(guò)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(chǎn)生裂紋，而 齒頂或齒根處的過(guò)小的過(guò)渡圓角，既容易在熱處理過(guò)程中產(chǎn)生裂紋，又容易在工作載荷作用下產(chǎn)生應力集中，致其裂紋擴展直至斷裂。齒輪斷裂實(shí)例證明齒根裂紋形 成對過(guò)小的過(guò)渡圓弧半徑具有較強敏感性。

　　2.1.2配合中的過(guò)盈量過(guò)大對齒輪斷裂的影響 齒輪裝配過(guò)盈量過(guò)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(guò)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(guò)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(huì )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(chǎn)生的應力對整個(gè)齒輪產(chǎn)生的疊加影響，如過(guò)盈裝配產(chǎn)生的切向拉應力、傳遞轉距時(shí)產(chǎn)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(xiāo)槽造成的應力集中諸應力綜合作用。某發(fā)動(dòng)機正時(shí)齒輪雖滿(mǎn)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(fēng)機葉輪與軸采用過(guò)盈配合，裝配時(shí)采用加熱葉輪、自然冷卻工藝，轉子在冷卻過(guò)程中產(chǎn)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(zhì)量、齒根表面粗糙度、鑄鍛焊質(zhì)量、加工刀痕，其中63%的齒輪斷裂與熱處理相關(guān)。

　　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(guò)淺過(guò)深或不均、熱處理不適、回火不充分、組織粗大、黑色網(wǎng)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(guò)齒輪表面和心部硬度、硬度梯度及組織均勻性影響其力學(xué)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(diǎn)甚至剝落坑。這時(shí)，齒輪傳動(dòng)重合度減小，相鄰齒輪承受傳動(dòng)負載增大，傳動(dòng)時(shí)產(chǎn)生沖擊，平 穩性下降。實(shí)驗結果表明，齒合面磨損后的齒根最 大拉應力顯著(zhù)增大，輪齒處于危險狀態(tài)，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(chǎn)生 剝落和齒體塑性都使運動(dòng)間隙增大，產(chǎn)生沖擊載荷。沖擊載荷使齒根產(chǎn)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(huì )產(chǎn)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(guò)陡的硬度梯度不但加速了裂紋在過(guò)渡區內的形成，還會(huì )引起深層剝落，加速齒輪的早期斷裂。

　　2.2.2齒輪裝配質(zhì)量對齒輪斷裂的影響機制：齒輪裝配質(zhì)量從多個(gè)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(shí)，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(zhù)增大；又使齒合位置偏移， 即最 大受力點(diǎn)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(chǎn)生沖擊和偏載，最終是齒輪早期斷裂。

　　(2)配合過(guò)盈量過(guò)大造成裝配應力過(guò)大，在齒輪上產(chǎn)生較大的殘余拉應力，甚至可能超過(guò)外載荷產(chǎn)生的彎曲應力，兩種應力共同作用時(shí)可能超過(guò)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(fā)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(guò)渡圓角過(guò)小產(chǎn)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(shí)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(gè)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(shí)，對缺口的敏感效應越明顯。當齒輪受外力作用時(shí)，材料中的夾雜物難以變形，而它周?chē)慕饘僭诤艽髲埩ο掳l(fā) 生變形流動(dòng)，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(chǎn)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(xué)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(wú)選材不當，則表示制造過(guò)程尤其是熱處理未獲得必需的 力學(xué)性能。力學(xué)性能是“齒輪材料+熱處理工藝”組合實(shí)現的，力學(xué)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(xué)性能，屬選材不當，需要重新選擇。

　　2.4使用階段影響因素

　　過(guò)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(shí)對使用條件的判斷可能失準，缺少過(guò)載能力的合理儲備和過(guò)載保護設計，這要在安全系數設定時(shí)解決； 其次是未在使用說(shuō)明書(shū)中明確界定使用條件；第三，雖有說(shuō)明，但未對使用者進(jìn)行必要培訓，預防使用中過(guò)載和沖擊載荷出現。沖擊載荷峰值大且持續時(shí)間短，多為 偶發(fā)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(huì )，尤其要避免出現過(guò)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(guò)承載能力而斷裂。提高裝配和安裝質(zhì)量是減少齒輪偏載的重要途徑。