失效案例｜齿轮失效分析

弧齿锥齿轮在使用过程中由于选材、加工工艺、热处理问题或装配问题造成失效，本文针对这方面的模式进行逐一分析。

弧齿锥齿轮失效

弧齿锥齿轮热处理后由于变形太大，齿轮精度等级降低，在使用过程中局部应力过高造成断齿。或在配对研磨过程中由于选用的研磨砂、研磨工艺不合适，造成工件研磨烧伤，齿轮表面硬度、耐磨性降低，齿轮在使用过程中产生早期磨损失效。

1 弧齿锥齿轮磨损

（1）弧齿锥齿轮轻度磨损

如下图所示，特征为啮合齿面刀纹磨平，轮齿表面非常光滑，有磨损波纹。齿根处不形成台阶，齿厚没有明显变化。

图 轻度磨损

产生原因：由于使用不当而造成的损坏。

1）润滑油黏度差，从而造成润滑油膜厚度不够。

2）使用时严重超载。

3）装配不当，如主动齿轮轴颈预紧力不够、轴承间隙大等，造成齿轮运转时轴向窜动，使啮合齿面逐渐磨损从而导致齿轮失效。

（2）弧齿锥齿轮严重磨损

如下图所示，特征为工作齿面材料大量磨掉，轮齿齿廓形状破坏，如齿顶磨尖、齿根变瘦、轮齿根部磨成台阶、运转时噪声加剧以及齿轮早期失效。

产生原因：系统严重振动，润滑油系统和密封装置不良，齿轮常在边界润滑或接近边界润滑状态下工作，油膜建立不起来或油膜厚度不够，导致啮合齿面大量磨损。

图 严重磨损

（3）齿面磨损条纹

如下图所示，特征为由于摩擦，啮合齿面沿滑动的方向形成较均匀条状摩擦痕迹，齿轮不能平稳运行。

产生原因：由于角齿预紧力不够，轴向间隙过大，齿轮运转不平衡；或润滑油被污染，外来的硬质颗粒在润滑过程中侵入到相啮合的齿面之间，由于磨粒的切削作用，将轮齿表面材料刮掉，造成两接触齿面的擦伤条纹。

图 齿面磨损条纹

（4）齿面胶合

如下图所示，特征为轮齿啮合面由于严重摩擦而磨损，齿面局部金属过热，沿运动方向出现明显的撕裂沟槽。

产生原因：润滑系统严重缺油，润滑不充分致使齿面温度急剧上升，金属熔化，相互粘合，在随后的滑动中又被撕开，在齿面形成撕裂沟槽，造成齿轮失效。这也是由于使用问题所造成的。

图 齿面胶合

2 齿面疲劳

（1）早期点蚀

如下图0所示，特征为齿面磨光，齿面呈麻点状疲劳剥落凹坑。剥落坑比较浅小，呈针眼状或芝麻状，深度0.1~0.2mm，截面呈不对称的“V”字形，此类疲劳裂纹首先从齿表面产生，然后向里层扩展，最后剥落形成麻点。

产生原因：早期点蚀是由于产品加工质量缺陷造成，切削加工时齿形误差大、齿面表面粗糙度差、轮齿节圆与内孔不同轴而使轮齿啮合状态差，造成运转时齿面局部区域早期疲劳损坏；或由于齿面硬度、接触疲劳强度低，从而引起的失效现象。

图 麻点剥落

（2）破坏性点蚀

如下图所示，特征为破坏性点蚀的剥落坑比早期点蚀的相对大而深，首先出现在靠近节圆的齿面上，然后不断扩展，最后导致轮齿失效。

产生原因：由于材料或加工及热处理质量问题造成疲劳强度显著降低，齿面承受的应力大于材料强度。随着应力循环次数的增多，点蚀不断扩展形成点蚀坑。

图 破坏性点蚀

（3）齿面剥落

如下图所示，特征为齿面上的材料成片剥离。剥落的金属比点蚀大，齿面剥落的厚度约等于产品渗碳淬火有效层厚度，形成的剥落坑底部与齿面基本保持平行，侧面垂直于表面。

产生原因：经表面硬化的轮齿，由于材料缺陷、热处理后金相组织超级、有效硬化层浅、硬度梯度过陡等原因，使轮齿表面层和次表面层材料的接触疲劳强度显著降低。由于运转时齿面的次表层所承受的外应力较高，裂纹首先在次表层内产生，再向表面延伸和扩展，最后形成剥落坑。

图 齿面剥落

（4）使用性疲劳

如下图所示，特征为齿面有明显的波纹痕迹，齿面上的材料成片脱落，形成点蚀坑或剥落坑，齿根有磨损台阶，部分齿轮还有塑性变形现象。

产生原因：齿轮在交变应力的作用下，齿面先出现磨损，使得齿面硬度下降，然后金属产生剥落而失效。

图 使用性疲劳

3 塑性变形

如下图所示，特征为齿面出现鳞状皱纹或塑性变形，鳞纹垂直于轮齿滑动方向而沿齿形分布。

产生原因：齿轮运转过程中，润滑不良，油膜厚度不足，齿轮系统振动面在工作齿面间产生“爬行”（黏附滑动现象）的结果。

图 鳞状皱纹

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