论文部分内容阅读
[摘要]：通过对伺服机构齿轮失效形式的分析，找出相应的解决方法，提高伺服机构的机械传动效率，延长机构的使用寿命。分析研究齿轮失效形式有助于建立齿轮设计的准则，提出防止和减轻失效的措施。
[关键词]：伺服机构 齿面磨损 齿面接触疲劳 齿面塑性变形 齿面胶合和擦伤
中图分类号：TM383.4 文献标识码：TM 文章编号：1009-914X（2012）20- 0060 -01
1 引言
齿轮是现代机械设备中一种应用最为广泛的基础零件，是连接和传递动力的通用零件。齿轮种类很多，有直齿轮、斜齿轮、涡轮等，齿面硬度有软齿面和硬齿面，传动装置有开式传动装置、半开式传动装置和闭式传动装置，齿轮转速有低速和高速，齿轮载荷有轻载荷和重载荷，由于使用条件的不同，齿轮在传动中也就出现了不同的失效形式。
2 伺服机构齿轮主要失效形式
伺服机构齿轮在投入使用后，由于齿轮制造不良或操作维护不善，以及壳体的孔位精度问题，会产生各种形式的失效，失效形式又随着齿轮材料、热处理、安装和运转状态等因素的不同而不同，一般的说，齿轮传动的失效主要发生在轮齿部分，其常见的失效形式有齿面磨损、齿面接触疲劳、齿面塑性变形、齿面胶合和擦伤。
伺服机构的传动装置为半开式传动装置，此传动装置在工作过程中要求传动平稳、精度高、传动效率高和工作安全可靠等，因此，需预先预计伺服机构在工作过程中可能出现的齿轮失效形式，并做好相应的防护措施以及解决方法。
3 问题分析与解决方法
3.1 齿面磨损
伺服机构齿轮在啮合过程中，往往在轮齿接触表面上出现材料摩擦的现象。凡磨损量不影响齿轮在预期寿命内应具备的功能的磨损，且齿面光亮平滑，没有宏观擦伤，各项公差在允许范围内，为正常磨损。如果齿轮用材不当，或在接触面间存在硬质颗粒，以及润滑油供应不足或不清洁，往往引起齿轮早期磨损，有微小颗粒分离出来，使接觸表面发生尺寸变化，重量损失，并使齿形改变，齿厚变薄，噪声增大。严重磨损的结果将导致齿轮失效。齿轮磨损有磨粒磨损和跑合磨损两种。
3.1.1 磨粒磨损
在伺服机构齿轮传动中，由于传动装置为半开式传动装置，齿面间存在多种形式的磨损情况。当齿面间落入铁屑、非金属物等颗粒时，齿面将发生剧烈的磨粒磨损。通过标准齿轮与过度磨损齿轮的对比，当齿轮齿面受到磨粒磨损，沿滑到方向，有细而均匀的条痕，齿面发暗，磨粒磨损进一步发展的结果，会使齿形改变，齿厚变薄，甚至出现“刀片”状齿尖，啮合间隙增大，传动时噪声增大，有时还会由于齿厚过度减薄导致断齿。
3.1.2 跑合磨损
新的齿轮副，由于加工后表面具有一定的粗糙度，受载时实际上只有部分峰顶接触。接触处压强很高，因而在开始运转期间，磨损速度和磨损量都比较大，磨损到一定程度后，齿轮副啮合面逐渐光洁，压强减小，磨损速度缓和，这种磨损称为跑合磨损。
使新齿轮副在轻负载条件下进行跑合磨损，为随后的伺服机构传动装置正常磨损创造条件。在跑合结束后，需仔细清洗并更换润滑油，以避免跑合磨损过程中产生的细小颗粒仍滞留在齿轮齿面上，给伺服机构传动装置正常磨损带来隐患。
3.1.3 齿面磨损的解决方法
对伺服机构传动装置提高抗磨损的方法有：提高齿轮的齿面硬度；改善润滑条件，在润滑油中加入减摩添加剂，保证润滑油的清洁；对传动装置做好防护措施，避免异物落入。
3.2 齿面接触疲劳
伺服机构传动装置的齿轮在啮合过程中，既有相对滚动，又有相对滑动。这两种力的作用使齿轮表面层深处产生脉动循环变化切应力，齿轮表面在这种切应力的反复作用下，引起局部剥落而造成损坏。其损坏形式有麻点疲劳剥落、浅层疲劳剥落和硬层疲劳剥落三种。
3.2.1 麻点疲劳剥落
麻点疲劳剥落是齿轮在接触应力作用下，工作表面呈痘斑、片状的疲劳损伤。麻点疲劳剥落又分为初始麻点和破坏性麻点。初始麻点是由于齿面存在微小的加工误差，表面不平，接触不均匀，齿轮在正常工作载荷作用下，使表面局部产生了高出材料疲劳极限的应力，经过一段循环次数后产生疲劳脱落，形成深度小于0.1mm，直径小于1mm的细小麻点；破坏性麻点是在接触应力较大，循环次数较多的情况下，初始麻点中产生的次生裂纹，发展成剥落面积较大、较深的剥落坑，麻点深度约为0.4mm。齿轮齿面在滚动带滑动的接触过程中，因表面凹凸不平，表面摩擦力较大，再受挤压时，表面地部分被压平，形成小的表面折叠，其尖端处产生集中应力，在反复切应力的作用下裂纹进一步扩展，同时在裂纹顶端受到垂直弯曲应力作用，最后将此块弯断，形成麻点剥落。
3.2.2 浅层疲劳剥落
浅层疲劳剥落是指比麻点剥落大而深的接触疲劳剥落，呈鳞片状，通常坑深约0.4mm，但在硬化层深度以内。这种剥落通常发生在齿轮表面粗糙度低、相对摩擦力小的情况下。
3.2.3 硬化层疲劳剥落
硬化层疲劳剥落是指经表面强化处理的齿轮在工作过程中出现大块状剥落，深度达到硬化层过渡区的现象。
3.2.4 齿面接触疲劳的解决方法
对伺服机构传动装置提高齿面接触疲劳强度的方法有：设计时为避免齿面点蚀，进行齿面接触疲劳强度计算；提高齿面硬度和降低齿面粗糙度；合理选取润滑油粘度，采用粘度较高的润滑油，润滑油粘度越低，越易渗入裂纹，点蚀扩展越快；减小动载荷，延长使用寿命。
3.3 齿面塑性变形
3.3.1 齿面塑性变形
塑性变形属于轮齿轮永久变形，是由于在过大的应力作用下，软齿轮材料处于屈服状态而产生的齿面或齿体塑性流动所形成的变形。当软齿轮轮齿材料较软，载荷较大时，软齿轮在啮合过程中，齿面油膜被破坏，摩擦力增大，而塑性流动方向和齿面所受摩擦力方向一致，所以在主动轮的轮齿上沿相对滑动速度为零的节线处将被碾出沟槽，而在从动轮的轮齿上则在节线处被挤出脊棱。
3.3.2 齿面塑性变形的解决方法
对伺服机构传动装置减轻齿轮齿面塑性变形的方法有：适当地提高软齿轮齿面硬度；采用高粘度的或加有极压添加剂的润滑油可有助于减轻或防止软齿轮产生塑性变形。
3.4 齿面胶合和擦伤
3.4.1 齿面胶合和擦伤
齿面胶合和擦伤是比较严重的黏着磨损，一般发生在重载或高速的齿轮传动中，齿面相对滑动速度大的齿顶或齿根部位，主要是由于润滑条件不合适而导致齿面间的油膜破裂。互相啮合的两齿轮齿面，在一定温度或压力作用下，发生粘着，随着齿面的相对运动，粘焊金属被撕脱后，齿面上沿着滑动方向形成沟痕。由于伺服机构传动装置齿轮转速高，啮合点处瞬时温度高，润滑失效，容易产生胶合，齿面一旦出现胶合，不但齿面温度升高，而且齿轮的振动和噪声也随之增大，导致齿轮传动失效。
新齿轮未经磨合时，也常常会在某一局部产生胶合现象，导致齿轮擦伤。
3.4.2 齿面胶合和擦伤的解决方法
对伺服机构传动装置提高抗齿面胶合和擦伤的方法：加强润滑措施，采用抗胶合能力强的润滑油，在润滑油中加入极压添加剂；减小齿轮模数，降低齿高，降低滑动系数；采用齿廓修形，提高传动平稳性；采用抗胶合能力强的齿轮材料；提高齿面硬度和降低齿面粗糙度；齿轮材料相同时，使大、小齿轮保持适当的硬度差。
4 结束语
经过对齿轮的几种主要失效形式及原因的分析，并针对各种失效形式提出相应的解决方法，以确保伺服机构传动装置在工作过程中能达到传动平稳、精度高、传动效率高和工作安全可靠等要求。
5 参考文件
[1]机械设计，濮良贵，纪名刚，2002，高等教育出版社.
[2]机械设计手册，第三卷，樊文萱，2000，机械工业出版社
[3]机械设计手册单行本，机械传动，成大先，2010，化学工业出版社
[关键词]：伺服机构 齿面磨损 齿面接触疲劳 齿面塑性变形 齿面胶合和擦伤
中图分类号：TM383.4 文献标识码：TM 文章编号：1009-914X（2012）20- 0060 -01
1 引言
齿轮是现代机械设备中一种应用最为广泛的基础零件，是连接和传递动力的通用零件。齿轮种类很多，有直齿轮、斜齿轮、涡轮等，齿面硬度有软齿面和硬齿面，传动装置有开式传动装置、半开式传动装置和闭式传动装置，齿轮转速有低速和高速，齿轮载荷有轻载荷和重载荷，由于使用条件的不同，齿轮在传动中也就出现了不同的失效形式。
2 伺服机构齿轮主要失效形式
伺服机构齿轮在投入使用后，由于齿轮制造不良或操作维护不善，以及壳体的孔位精度问题，会产生各种形式的失效，失效形式又随着齿轮材料、热处理、安装和运转状态等因素的不同而不同，一般的说，齿轮传动的失效主要发生在轮齿部分，其常见的失效形式有齿面磨损、齿面接触疲劳、齿面塑性变形、齿面胶合和擦伤。
伺服机构的传动装置为半开式传动装置，此传动装置在工作过程中要求传动平稳、精度高、传动效率高和工作安全可靠等，因此，需预先预计伺服机构在工作过程中可能出现的齿轮失效形式，并做好相应的防护措施以及解决方法。
3 问题分析与解决方法
3.1 齿面磨损
伺服机构齿轮在啮合过程中，往往在轮齿接触表面上出现材料摩擦的现象。凡磨损量不影响齿轮在预期寿命内应具备的功能的磨损，且齿面光亮平滑，没有宏观擦伤，各项公差在允许范围内，为正常磨损。如果齿轮用材不当，或在接触面间存在硬质颗粒，以及润滑油供应不足或不清洁，往往引起齿轮早期磨损，有微小颗粒分离出来，使接觸表面发生尺寸变化，重量损失，并使齿形改变，齿厚变薄，噪声增大。严重磨损的结果将导致齿轮失效。齿轮磨损有磨粒磨损和跑合磨损两种。
3.1.1 磨粒磨损
在伺服机构齿轮传动中，由于传动装置为半开式传动装置，齿面间存在多种形式的磨损情况。当齿面间落入铁屑、非金属物等颗粒时，齿面将发生剧烈的磨粒磨损。通过标准齿轮与过度磨损齿轮的对比，当齿轮齿面受到磨粒磨损，沿滑到方向，有细而均匀的条痕，齿面发暗，磨粒磨损进一步发展的结果，会使齿形改变，齿厚变薄，甚至出现“刀片”状齿尖，啮合间隙增大，传动时噪声增大，有时还会由于齿厚过度减薄导致断齿。
3.1.2 跑合磨损
新的齿轮副，由于加工后表面具有一定的粗糙度，受载时实际上只有部分峰顶接触。接触处压强很高，因而在开始运转期间，磨损速度和磨损量都比较大，磨损到一定程度后，齿轮副啮合面逐渐光洁，压强减小，磨损速度缓和，这种磨损称为跑合磨损。
使新齿轮副在轻负载条件下进行跑合磨损，为随后的伺服机构传动装置正常磨损创造条件。在跑合结束后，需仔细清洗并更换润滑油，以避免跑合磨损过程中产生的细小颗粒仍滞留在齿轮齿面上，给伺服机构传动装置正常磨损带来隐患。
3.1.3 齿面磨损的解决方法
对伺服机构传动装置提高抗磨损的方法有：提高齿轮的齿面硬度；改善润滑条件，在润滑油中加入减摩添加剂，保证润滑油的清洁；对传动装置做好防护措施，避免异物落入。
3.2 齿面接触疲劳
伺服机构传动装置的齿轮在啮合过程中，既有相对滚动，又有相对滑动。这两种力的作用使齿轮表面层深处产生脉动循环变化切应力，齿轮表面在这种切应力的反复作用下，引起局部剥落而造成损坏。其损坏形式有麻点疲劳剥落、浅层疲劳剥落和硬层疲劳剥落三种。
3.2.1 麻点疲劳剥落
麻点疲劳剥落是齿轮在接触应力作用下，工作表面呈痘斑、片状的疲劳损伤。麻点疲劳剥落又分为初始麻点和破坏性麻点。初始麻点是由于齿面存在微小的加工误差，表面不平，接触不均匀，齿轮在正常工作载荷作用下，使表面局部产生了高出材料疲劳极限的应力，经过一段循环次数后产生疲劳脱落，形成深度小于0.1mm，直径小于1mm的细小麻点；破坏性麻点是在接触应力较大，循环次数较多的情况下，初始麻点中产生的次生裂纹，发展成剥落面积较大、较深的剥落坑，麻点深度约为0.4mm。齿轮齿面在滚动带滑动的接触过程中，因表面凹凸不平，表面摩擦力较大，再受挤压时，表面地部分被压平，形成小的表面折叠，其尖端处产生集中应力，在反复切应力的作用下裂纹进一步扩展，同时在裂纹顶端受到垂直弯曲应力作用，最后将此块弯断，形成麻点剥落。
3.2.2 浅层疲劳剥落
浅层疲劳剥落是指比麻点剥落大而深的接触疲劳剥落，呈鳞片状，通常坑深约0.4mm，但在硬化层深度以内。这种剥落通常发生在齿轮表面粗糙度低、相对摩擦力小的情况下。
3.2.3 硬化层疲劳剥落
硬化层疲劳剥落是指经表面强化处理的齿轮在工作过程中出现大块状剥落，深度达到硬化层过渡区的现象。
3.2.4 齿面接触疲劳的解决方法
对伺服机构传动装置提高齿面接触疲劳强度的方法有：设计时为避免齿面点蚀，进行齿面接触疲劳强度计算；提高齿面硬度和降低齿面粗糙度；合理选取润滑油粘度，采用粘度较高的润滑油，润滑油粘度越低，越易渗入裂纹，点蚀扩展越快；减小动载荷，延长使用寿命。
3.3 齿面塑性变形
3.3.1 齿面塑性变形
塑性变形属于轮齿轮永久变形，是由于在过大的应力作用下，软齿轮材料处于屈服状态而产生的齿面或齿体塑性流动所形成的变形。当软齿轮轮齿材料较软，载荷较大时，软齿轮在啮合过程中，齿面油膜被破坏，摩擦力增大，而塑性流动方向和齿面所受摩擦力方向一致，所以在主动轮的轮齿上沿相对滑动速度为零的节线处将被碾出沟槽，而在从动轮的轮齿上则在节线处被挤出脊棱。
3.3.2 齿面塑性变形的解决方法
对伺服机构传动装置减轻齿轮齿面塑性变形的方法有：适当地提高软齿轮齿面硬度；采用高粘度的或加有极压添加剂的润滑油可有助于减轻或防止软齿轮产生塑性变形。
3.4 齿面胶合和擦伤
3.4.1 齿面胶合和擦伤
齿面胶合和擦伤是比较严重的黏着磨损，一般发生在重载或高速的齿轮传动中，齿面相对滑动速度大的齿顶或齿根部位，主要是由于润滑条件不合适而导致齿面间的油膜破裂。互相啮合的两齿轮齿面，在一定温度或压力作用下，发生粘着，随着齿面的相对运动，粘焊金属被撕脱后，齿面上沿着滑动方向形成沟痕。由于伺服机构传动装置齿轮转速高，啮合点处瞬时温度高，润滑失效，容易产生胶合，齿面一旦出现胶合，不但齿面温度升高，而且齿轮的振动和噪声也随之增大，导致齿轮传动失效。
新齿轮未经磨合时，也常常会在某一局部产生胶合现象，导致齿轮擦伤。
3.4.2 齿面胶合和擦伤的解决方法
对伺服机构传动装置提高抗齿面胶合和擦伤的方法：加强润滑措施，采用抗胶合能力强的润滑油，在润滑油中加入极压添加剂；减小齿轮模数，降低齿高，降低滑动系数；采用齿廓修形，提高传动平稳性；采用抗胶合能力强的齿轮材料；提高齿面硬度和降低齿面粗糙度；齿轮材料相同时，使大、小齿轮保持适当的硬度差。
4 结束语
经过对齿轮的几种主要失效形式及原因的分析，并针对各种失效形式提出相应的解决方法，以确保伺服机构传动装置在工作过程中能达到传动平稳、精度高、传动效率高和工作安全可靠等要求。
5 参考文件
[1]机械设计，濮良贵，纪名刚，2002，高等教育出版社.
[2]机械设计手册，第三卷，樊文萱，2000，机械工业出版社
[3]机械设计手册单行本，机械传动，成大先，2010，化学工业出版社