時間:2021-12-31來源:今日減速機
這是一個非常有趣的問題,因為它不僅涉及機械筒子們學過的機械原理,還關(guān)系到齒輪在工程中的實際應(yīng)用。
斷齒的概念和常見形式
先了解一下什么是斷齒,齒輪斷齒屬于齒輪失效形式之一,是一種比較嚴重的失效,一般斷齒位置發(fā)生在齒輪的齒根Tooth root,因為齒根處的彎曲應(yīng)力最大,常用30°切線法確定的切點連線就是齒根的危險截面。
但最新研究也發(fā)現(xiàn),還有很多齒輪斷齒是從齒廓位置發(fā)生,叫做Flank Fracture,這是目前齒輪界研究的新課題。
按照國家標準《GBT 3481-1997 齒輪輪齒磨損和損傷術(shù)語》(或者ISO 10825-1995標準 )中的規(guī)定,輪齒折斷(Tooth breakage)、輪齒剪斷(Tooth shear)和疲勞折斷(Fatigue breakage)都是發(fā)生了斷齒,不過原因并不相同,前兩者基本是由于發(fā)生了一次或幾次嚴重過載而導致,這種情況通常會使幾個輪齒連續(xù)損傷,我們可以叫做過載折斷,后者是由于發(fā)生了較高的循環(huán)次數(shù)載荷,裂紋擴展后導致的斷齒,這種斷齒后的斷口面會有明顯的疲勞裂紋擴展區(qū)和瞬斷區(qū)。
另外當齒面加工精度低、裝配質(zhì)量不良時,齒輪接觸線容易發(fā)生偏載,偏載會導致局部應(yīng)力過大,也會發(fā)生局部斷齒,例如斜齒輪,由于有螺旋角的緣故,兩個輪齒接觸時為一條斜線,而它的失效形式則是局部折斷,類似下圖所示的情況。
如果以上的斷齒形式發(fā)生在了某個齒輪的一個輪齒上,是否還能轉(zhuǎn)動呢,這個時候我們可以先從齒輪嚙合原理出發(fā)去看看,然后再到實際應(yīng)用層面去一探究竟。
齒輪嚙合原理
以漸開線齒輪為例子,兩個齒輪實現(xiàn)正確嚙合需要滿足嚙合條件,即模數(shù)相同、壓力角相等,如下圖所示,這就如同兩個三觀一致的好朋友,由于具有相同的技術(shù)背景,所以能實現(xiàn)嚙合傳動這種運動形式。
具備了嚙合條件之后,兩個好朋友要想默契的保持連續(xù)傳動,在嚙合時既不發(fā)生重疊,也不發(fā)生分離,還必須使重合度(contact ratio)ε>1,重合度就像兩位好朋友在工作中的交接,良好的交接會使工作順利進行,且保持長期穩(wěn)定的合作。而重合度ε的概念是指參與嚙合的輪齒的平均對數(shù),數(shù)值越大,表明同時參與嚙合的輪齒對數(shù)越多,齒輪傳動的連續(xù)性和平穩(wěn)性越好,一般齒輪傳動的許用重合度[ε]=1.3~1.4。這也有點類似接力賽跑中,在前一棒運動員快到達接力區(qū)時,后一棒運動員會提前跑動起來準備接棒,使兩棒交接平穩(wěn)完成。
所以從這里得知,正常的齒輪傳動在每個瞬間參與嚙合的輪齒數(shù)量都是大于一對的,這個時候當其中一個齒折斷了,它相鄰的兄弟會接過接力棒以保證連續(xù)轉(zhuǎn)動。而且由于齒輪在齒寬方向是有一定“長度”的,因此當輪齒的一部分折斷時,理論上并不會影響剩余部分去傳遞轉(zhuǎn)動,類似下圖這種情況。但是折斷的齒輪失去了傳遞運動的能力,所以相鄰齒輪的“負擔”就會加重,從而加劇了繼續(xù)失效的風險。
另外,當直齒輪變?yōu)樾饼X輪后,斜齒輪的重合度得到了逆天增長,因為在端面重合度基礎(chǔ)上增加了軸向重合度 ,這樣總的重合度就等于兩者之和。
一般情況下斜齒輪的重合度可以超過2,也就是說同時有2對齒在參與嚙合,這樣的嚙合就更加平穩(wěn),噪聲水平也更低,因此斜齒輪也成為工業(yè)齒輪齒輪箱的不二之選。
所以從嚙合原理來看,在斷了一個齒的情況下,兩個齒輪是能夠繼續(xù)轉(zhuǎn)動的,但在實際應(yīng)用中是這樣的嗎?以最常見的工業(yè)齒輪箱為例,來看看斷齒后的變化。
實際應(yīng)用中的斷齒
相比兩個齒輪的嚙合,工業(yè)齒輪箱是一個更復雜的傳動系統(tǒng),涉及到動力傳遞、轉(zhuǎn)速匹配、減振降噪、潤滑冷卻等等問題,而當齒輪箱在運行過程中出現(xiàn)一個輪齒折斷或部分折斷后,或許整個齒輪仍然可以保持傳遞動力的能力,但在噪聲、振動表現(xiàn)上會有明顯的增加,這是由于斷齒部分無法參與正常嚙合,從而產(chǎn)生嚙合沖擊,這些沖擊會通過齒輪、軸、軸承及箱體向外傳遞,最終以噪聲和振動的形式向外輻射能量,所以斷齒后的齒輪就像罰掉一名隊員的足球隊,10人的隊伍在運轉(zhuǎn)上載荷負擔明顯加重。
這種沖擊一般可以通過振動監(jiān)測來發(fā)現(xiàn),因為斷齒后的時域一般表現(xiàn)為幅值很大的周期性沖擊信號,且周期為該齒輪所在軸的轉(zhuǎn)頻,如下圖所示,這是因為齒輪每轉(zhuǎn)一周,斷齒就會發(fā)生一次沖擊。
另外,由于齒輪箱是封閉環(huán)境,斷齒后的碎屑只能 “往肚里咽”,這些碎屑會進一步造成其他失效,例如齒輪、軸承的磨粒磨損,齒面的點蝕,潤滑油清潔度下降等問題,從而加速齒輪箱壽命的縮短,更加嚴重的可能造成其他輪齒陸續(xù)折斷,齒輪喪失扭矩傳遞能力,使整個傳動鏈中斷,造成重大事故或經(jīng)濟損失。
因此當斷齒發(fā)生后,正確操作是及時止損,更換或修復斷齒后的齒輪。更換的齒輪也需要考慮強度設(shè)計、材料選擇、熱處理工藝、加工精度、裝配質(zhì)量等等問題,因此推薦通過齒輪箱制造商來進行更換或修復,這樣能保證備件的質(zhì)量和整機的可靠性。
原裝備件
總結(jié)
綜上所知,從兩個齒輪的嚙合原理角度出發(fā),當一個輪齒折斷后,兩個齒輪仍然是可以轉(zhuǎn)動的,因為重合度大于1,但是從實際應(yīng)用出發(fā),斷齒雖然齒輪仍能夠傳動,但應(yīng)當機立斷,展開補救措施,不可有僥幸心理,否則會釀成更大的損失。
另一種分析:
我們用齒輪嚙合的視圖來展示一下,看如果其中一個齒輪斷掉一個齒后,對傳動是否有影響。
這是一對正常嚙合的齒輪,從上圖我們可以看到,同時參與扭矩傳遞的齒輪并不只有一個齒,至少是大于一個齒的。所以針對題主的提問,我們可以做一個肯定的回答,你那就是即使是斷了一個齒,齒輪依然可以暫時傳遞扭矩。我們再來看一張圖,這個時候齒輪已經(jīng)斷了一個齒了。
這個時候,齒輪雖然已經(jīng)斷了一個齒,但是斷的不是那么“干凈”,在齒根部還有一些殘余部分,這個時候斷的齒依然是參與扭矩傳動的,只是局部參與而已,同時與它相連的齒會承受更大的扭矩,如果這個扭矩在齒壓的可承受范圍內(nèi),那齒輪的傳動依然是有效的,但是其使用壽命肯定會大大的減小了。這就像兩個人去抬水,突然有個人說他腰痛抬不了了,如果你們還想喝水,那另一個人就得自己一個人把誰挑回去,如果只是挑一擔水,估計問題不大,如果是不停的挑,那這個人估計也會扛不住,然后就毀了。直到出現(xiàn)下列情況的時候。
斷掉的齒牙出現(xiàn)根部式崩裂,與之相連的齒牙也斷裂到與嚙合齒輪的齒頂圓沒有了交集,這個時候,齒輪的傳動正式失效,徹底不能傳遞扭矩。當齒輪用到這個份上的時候,基本上兩個相互嚙合的齒輪都會廢掉,也就是說,如果你要更換的話,你就得更換一對齒輪了。所以從成本的角度來考慮,如果一旦發(fā)現(xiàn)有齒輪出現(xiàn)崩齒情況,要果斷的換掉這個齒輪,這樣是成本最小化的操作,否則如果你將就使用的話,那換來的將是更大的成本付出。同時不穩(wěn)定的扭矩傳遞,還會帶來以下影響:
1、不斷的沖擊會影響齒輪軸的使用精度和壽命,例如剪切平鍵,破壞鍵槽等等;
2、不斷的沖擊會影響齒輪軸承力軸承的使用壽命和穩(wěn)定性;
3、不穩(wěn)定的扭矩傳輸會對整個設(shè)備的運行帶來不可靠因素,影響設(shè)備的正常運行;綜上所述,將問題解決于萌芽狀態(tài)是最好的,最省的一種維護方式,千萬不要抱有僥幸心理。
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