齿轮的损伤及对策

齿轮的损伤主要分为齿面的磨损与轮齿的折损。此外, 作为特例, 还有塑料齿轮的劣化及由轮缘或辐板引起的损伤。造成这些损伤的原因各种各样, 比如, 齿轮的强度不足、润滑及安装不好、预想外的超负载等等,找出原因及做出对策都很困难。关于齿轮的损伤, 下面的两个标准中有详细的规定。

● JGMA 7001-01(1990) 齿轮的损伤状态及其术语
● JIS B 0160: 1999 齿轮－齿轮的磨损及损伤－术语

14.1 齿轮的磨损及齿面疲劳

齿轮的齿面磨损, 由开始转动时齿面出现细微的凹凸、对齿轮的使用不产生什么影响的「跑和磨损」到齿面大量剥落的「重大磨损」等不同程度的磨损。磨损发展到轮齿的形状失去原型时, 齿轮将不能正常的啮合。
齿面疲劳是齿面在反复的载荷作用下, 在轮齿表面或表层下产生的应力大于此材料的疲劳极限时, 齿面出现金属剥落现象的齿面损伤的总称。这类损伤包括点蚀、剥落、表层压碎等。
齿面发生重大的磨损、扩展性点蚀时, 齿轮装置可能产生以下的异常现象。

● 噪音及振动增大
● 齿轮装置的温度急速上升
● 润滑油严重污染
● 啮合齿面间侧隙变大

如果能除掉这些异常现象的真正原因的话, 即可解决轮齿的损伤问题。

齿面的损伤及对策如下。

（1）相对负载齿轮强度（齿面强度）不足时

对策(1) 提高齿面接触疲劳强度（齿轮强度）

●: 使用硬质及高强度齿轮材料
S45C → SCM440 / SCM415 等
请参照第9 章齿轮的材料及热处理
（P519 - P520）
●: 增大齿轮尺寸
采用大模数或增加轮齿数
●: 增加齿宽
●: 由直齿齿轮改为螺旋齿齿轮
正齿轮 → 斜齿齿轮
直齿锥齿轮 → 弧齿锥齿轮
（提高纵向重合度）

对策(2) 降低负载

●: 通过改变运行条件等减轻负载

（2）因为安装状态不良轮齿接触不好时

对策：修正轮齿接触
根据齿轮的种类, 具体对策不同。锥齿轮及蜗杆蜗轮的轮齿接触修正方法请参照第8.3 齿轮的轮齿接触（P516 - P517）。

（3）齿轮及轴等变形造成齿轮片面接触时

对策：重新设计齿轮、轴及轴承等
提高系统刚性以改善轮齿接触

（4）润滑状态不良时

对策：润滑油的种类、粘度、量等合理化
请参照第13章齿轮的润滑（P562 - P565）。

14.2 齿轮的折损

齿轮的轮齿折断有由于超过预想的重载作用在轮齿上造成破损的过载折断、交变载荷的重复作用下产生的疲劳折断等。正齿轮及锥齿轮等由于载荷集中在齿宽端部, 造成片面轮齿接触(轮齿不当接触), 也会发生轮齿的折断。

断齿的原因及对策例如下。

（1）冲击负载造成的断齿

对策 (1) 提高齿轮弯曲强度改变材料或增大模数是最有效的手段
具体的对策与提高齿面强度（齿轮强度）相同

对策 (2) 降低或去除冲击负载例如, 降低旋转速度等就是有效的手段

（2）重复载荷造成疲劳折断时

对策 (1) 提高齿轮强度具体的对策与提高齿面强度（齿轮强度）相同对策 (2) 减轻负载或降低旋转速度

（3）轮齿的磨损进展轮齿变薄而折断时

断齿问题的根本原因。需要做出对策避免磨损的发生。

14.3 齿轮的损伤状态及其术语

齿轮的损伤有各种各样,在这里,我们利用列表的形式,将摘自JGMA 7001-01(1990)「齿轮的损伤状态及其术语」的代表性内容加以介绍。

表14.1 齿轮损伤术语及种类

项目序号	损伤的种类	损伤状态及损伤原因
1	齿面耗损
11	磨损	由于某种原因而造成的齿面材料的消耗及损失。
111	中等磨损	正常磨损不是损伤。齿轮运转的初级阶段、齿面的细微机加工痕迹磨失后的状态。
1111	中等磨损	齿面的磨损观察轮齿接触即清晰可见的状态。
1112	磨光	齿面的凸凹不平被逐步磨去, 齿面呈光滑镜面的状态。
112	磨料磨损	齿面的滑动方向产生不规则的条痕, 并伴有擦伤。
113	过度磨损	齿面磨损率很高, 将对齿轮的设计寿命产生影响程度的磨损。
114	干涉磨损	齿轮的齿顶角部与相啮齿轮的齿根面干涉, 齿根部被挖的磨损。
115	中等擦伤	是磨料磨损的一种。齿面滑动方向上形成线状的沟槽, 齿面如同被犁铧耕过一般。
116	胶合	齿面的粘结与撕裂交互发生造成齿面劣化。
1161	中等胶合	有粘结倾向的轻度表面损伤, 在滑动方向产生轻微的伤痕。
1162	破坏性胶合	沿滑动方向呈现明显的粘撕沟痕, 齿形被完全破坏的损伤。
1163	局部胶合	在齿面的局部区域上发生胶合, 损伤程度与中等胶合相同。
12	腐蚀
121	化学腐蚀	齿面出现红棕色锈斑及蚀坑锈斑, 齿轮材料劣化的现象。
122	微动腐蚀	相接触的两面之间在微小振幅下做相对往复运动时经常出现的表面损伤, 伴随有氧化等化学腐蚀。
123	鳞蚀	由于热处理过程中的氧化作用, 在齿面上产生不规则的凸起, 传动后凸起呈现出金属光泽。
13	过热	齿轮温度极端过热现象。齿轮可见回火色。
14	侵蚀	强制润滑时喷射液体的冲击作用下在齿面形成的局部侵蚀。
15	电食	由于啮合齿面间的放电在齿面上产生蚀坑的损伤。
16	齿面疲劳	齿面产生金属脱落的齿面损伤的总称。
161	点蚀	齿面呈麻点状的齿面疲劳损伤。多出现在节线附近的下齿面上。
1611	初期点蚀	运转开始后不久在齿面出现的点蚀坑, 齿面经跑和后凹坑不再扩展。
1612	扩展性点蚀	齿面经跑和后凹坑仍然继续扩展的点蚀。
1613	微点蚀	在过载及薄膜条件下运转时, 齿面形成的细微的点蚀。
162	片蚀	剥落的一种。齿面发生比较大面积的薄金属片脱落。
163	剥落	在表面下发生材料疲劳, 造成齿面金属片状剥落的轮齿损伤。
164	表层压碎	表面硬化层产生相当大范围剥落的损伤。
17	永久变形
171	压痕	由于异物进入齿轮的啮合齿面间而产生的齿面凹坑。
1721	塑性变形	轮齿去载后形变也不能恢复的变形。是永久变形的典型形态。
1721	滚压塑变	齿面材料流动, 节线附近出现沟槽及脊棱的损伤。
1722	轮齿锤击变形	由于轮齿承受剧烈振动载荷, 齿面间相互锤击而引起的塑性变形。
173	起皱	垂直于旋转方向上, 齿面出现周期性的波纹模样。
174	起脊	齿面及次表面的材料按一定方向塑性流动, 产生条状的「垄」或「山脉」状的隆起。
175	飞边	与滚压塑变相同的塑性变形。齿顶面及齿宽端部材料的突出部分。
176	击痕	齿轮与其他物品冲突形成的微小塑性变形。表面出现凹凸。
18	裂纹	裂纹。分为制造工艺裂纹和使用裂纹的两大类。
181	淬火裂纹	火处理过程中产生的裂纹。
182	磨削裂纹	齿面的磨削加工中在齿面上产生的微小裂纹。
183	疲劳裂纹	重复应力或交变应力的作用下发生在齿根面及齿根圆角部的裂纹。
2	轮齿折断
21	过载折断	轮齿由于短时、意外的过载造成的折断。
22	齿端折断	由于齿宽方向的片面接触而产生的折断, 多发生在正齿轮及直齿锥齿轮上。
23	轮齿剪断	因为一次严重过载, 导致轮齿从齿轮上被剪切。
24	塑性变形后折断	轮齿材料不能承受载荷强度, 导致齿形严重变形后折断。
25	疲劳折断	由于疲劳齿根圆角部起始的龟裂不断扩展引起轮齿折断。
3	轮缘和辐板的折损
4	塑料齿轮的劣化
41	膨润	固体在吸收液体后, 高分子材料组织不变, 体积增大的现象。

术语说明

（1）蚀点 (pit): 齿轮的齿面上形成的麻点模样的小孔。
（2）海滩模样 (Beach mark): 疲劳折断的断面形貌。常用翻滚的浪花在沙滩上留下的模样做比喻。