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齿轮发生随机断裂的失效分析

目前国家标准G B/T 3481—1997《齿轮轮齿磨损和损伤术语》中没有包含齿轮随机断裂这一词条,但在齿轮使用中经常出现轮齿随机断裂现象。描述了轮齿随机断裂的形貌;论述了产生随机断裂的原因;给出了随机断裂的分类和多个实例;并提出了预防轮齿随机断裂的具体措施。建议在修订国家标准时增加齿轮随机断裂词条。

轮齿折断(断裂)是一种危险性很大的最终失效形式。在GB/T 348l—1997《齿轮轮齿磨损和损伤术语》(ISO 10825:1995)中,将轮齿的断裂(折断)细分为以下几种:过载折断、疲劳折断、剪断和抹断。标准中没有包含轮齿经常出现的随机断裂。

 

 

    1   轮齿的随机断裂是指不与齿根圆角截面有关的轮齿断裂。断裂部位随轮齿缺陷、损伤或过高的有害残余应力的位置而定,如图1所示。从图1可以看出,正常的弯曲疲劳断裂的断裂线都起源于30°切线点附近;而如果轮齿腰部出现严重损伤,例如深层剥落,就会产生很大的应力集中而引发随机断裂。齿顶的随机断裂多数是由于热处理缺陷和齿轮偏载造成的。

在1980年的AGMA 110.4标准中,首先提出了随机断裂(Random fracture)这一词条。我国GB3481—1983中也收录了这一词条。1979年的DIN3979中只定义了轮齿的过载折断和疲劳折断,而没有随机断裂词条。在我国等同采用ISO标准的GB/T3481—1997《齿轮轮齿磨损和损伤》术语中,也没有随机断裂这一词条。由此可见,随机断裂这一重要的失效现象并没有引起人们广泛的注意。



2  轮齿发生随机断裂的原因

齿轮轮齿发生随机断裂的原因很多,主要有:

1)随机断裂通常是由于轮齿缺陷、点蚀、剥落或其他应力集中源在该处形成过高局部应力集中引起的。

2)夹杂物、细微磨削裂纹等轮齿缺陷在交变应力作用下,裂纹不断扩展导致轮齿随机断裂。

3)不当热处理造成的过高残余应力也能引起轮齿的局部断裂。

4)载荷过大,或轮齿修形不到位,引起啮入冲击载荷过大,都会造成随机断裂。

5)轮齿偏载造成的齿面损伤会引起轮齿腰部或轮齿根部的随机断裂。

6)较大的异物进入啮合处也会使局部轮齿断裂。

 

 

 

3  轮齿随机断裂的分类和实例
轮齿的随机断裂根据断裂部位不同可以分为3类:齿顶随机断裂、齿腰随机断裂和齿根随机断裂。下面是轮齿随机断裂的一些实例。

 

 

 

(1)齿顶随机断裂
由于轮齿偏载,齿面出现深层剥落造成轮齿齿顶断裂,如图2所示。硬齿面齿轮由于热处理缺陷,齿顶硬度过高也会造成齿顶随机断裂。

(2)齿腰随机断裂
轮齿腰部如果有缺陷、损伤,就有可能发生齿腰随机断裂。图3就是40Cr钢渗氮齿轮齿面压裂后产生的随机断裂。随机断裂的断口形貌与一般疲劳断齿相似。

(3)轮齿根部随机断裂
轮齿根部随机断裂是指有效工作齿面的根部发生断裂,它与30°切线点断裂无关。图6是螺旋角β=30°的斜齿轮(渗碳淬火齿轮),在正常情况下不可能出现整齿断裂,但由于啮入冲击使齿根部位出现深层剥落,剥落坑的应力集中造成了轮齿的随机断裂。


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