技术频道

南京康尼
当前位置 当前位置: 首页 > 技术频道 > 技术百科 > 齿轮只断了一个齿能否转动?

齿轮只断了一个齿能否转动?

时间:2021-12-31来源:今日减速机

导语:这是一个非常有趣的问题,因为它不仅涉及机械筒子们学过的机械原理,还关系到齿轮在工程中的实际应用。

  这是一个非常有趣的问题,因为它不仅涉及机械筒子们学过的机械原理,还关系到齿轮在工程中的实际应用。

  断齿的概念和常见形式

  先了解一下什么是断齿,齿轮断齿属于齿轮失效形式之一,是一种比较严重的失效,一般断齿位置发生在齿轮的齿根Tooth root,因为齿根处的弯曲应力最大,常用30°切线法确定的切点连线就是齿根的危险截面。

  但最新研究也发现,还有很多齿轮断齿是从齿廓位置发生,叫做Flank Fracture,这是目前齿轮界研究的新课题。

  按照国家标准《GBT 3481-1997 齿轮轮齿磨损和损伤术语》(或者ISO 10825-1995标准 )中的规定,轮齿折断(Tooth breakage)、轮齿剪断(Tooth shear)和疲劳折断(Fatigue breakage)都是发生了断齿,不过原因并不相同,前两者基本是由于发生了一次或几次严重过载而导致,这种情况通常会使几个轮齿连续损伤,我们可以叫做过载折断,后者是由于发生了较高的循环次数载荷,裂纹扩展后导致的断齿,这种断齿后的断口面会有明显的疲劳裂纹扩展区和瞬断区。

  另外当齿面加工精度低、装配质量不良时,齿轮接触线容易发生偏载,偏载会导致局部应力过大,也会发生局部断齿,例如斜齿轮,由于有螺旋角的缘故,两个轮齿接触时为一条斜线,而它的失效形式则是局部折断,类似下图所示的情况。

  如果以上的断齿形式发生在了某个齿轮的一个轮齿上,是否还能转动呢,这个时候我们可以先从齿轮啮合原理出发去看看,然后再到实际应用层面去一探究竟。

  齿轮啮合原理

  以渐开线齿轮为例子,两个齿轮实现正确啮合需要满足啮合条件,即模数相同、压力角相等,如下图所示,这就如同两个三观一致的好朋友,由于具有相同的技术背景,所以能实现啮合传动这种运动形式。

  具备了啮合条件之后,两个好朋友要想默契的保持连续传动,在啮合时既不发生重叠,也不发生分离,还必须使重合度(contact ratio)ε>1,重合度就像两位好朋友在工作中的交接,良好的交接会使工作顺利进行,且保持长期稳定的合作。而重合度ε的概念是指参与啮合的轮齿的平均对数,数值越大,表明同时参与啮合的轮齿对数越多,齿轮传动的连续性和平稳性越好,一般齿轮传动的许用重合度[ε]=1.3~1.4。这也有点类似接力赛跑中,在前一棒运动员快到达接力区时,后一棒运动员会提前跑动起来准备接棒,使两棒交接平稳完成。

图片

  所以从这里得知,正常的齿轮传动在每个瞬间参与啮合的轮齿数量都是大于一对的,这个时候当其中一个齿折断了,它相邻的兄弟会接过接力棒以保证连续转动。而且由于齿轮在齿宽方向是有一定“长度”的,因此当轮齿的一部分折断时,理论上并不会影响剩余部分去传递转动,类似下图这种情况。但是折断的齿轮失去了传递运动的能力,所以相邻齿轮的“负担”就会加重,从而加剧了继续失效的风险。

  另外,当直齿轮变为斜齿轮后,斜齿轮的重合度得到了逆天增长,因为在端面重合度基础上增加了轴向重合度 ,这样总的重合度就等于两者之和。

  一般情况下斜齿轮的重合度可以超过2,也就是说同时有2对齿在参与啮合,这样的啮合就更加平稳,噪声水平也更低,因此斜齿轮也成为工业齿轮齿轮箱的不二之选。

  所以从啮合原理来看,在断了一个齿的情况下,两个齿轮是能够继续转动的,但在实际应用中是这样的吗?以最常见的工业齿轮箱为例,来看看断齿后的变化。

  实际应用中的断齿

  相比两个齿轮的啮合,工业齿轮箱是一个更复杂的传动系统,涉及到动力传递、转速匹配、减振降噪、润滑冷却等等问题,而当齿轮箱在运行过程中出现一个轮齿折断或部分折断后,或许整个齿轮仍然可以保持传递动力的能力,但在噪声、振动表现上会有明显的增加,这是由于断齿部分无法参与正常啮合,从而产生啮合冲击,这些冲击会通过齿轮、轴、轴承及箱体向外传递,最终以噪声和振动的形式向外辐射能量,所以断齿后的齿轮就像罚掉一名队员的足球队,10人的队伍在运转上载荷负担明显加重。

  这种冲击一般可以通过振动监测来发现,因为断齿后的时域一般表现为幅值很大的周期性冲击信号,且周期为该齿轮所在轴的转频,如下图所示,这是因为齿轮每转一周,断齿就会发生一次冲击。

  另外,由于齿轮箱是封闭环境,断齿后的碎屑只能 “往肚里咽”,这些碎屑会进一步造成其他失效,例如齿轮、轴承的磨粒磨损,齿面的点蚀,润滑油清洁度下降等问题,从而加速齿轮箱寿命的缩短,更加严重的可能造成其他轮齿陆续折断,齿轮丧失扭矩传递能力,使整个传动链中断,造成重大事故或经济损失。

  因此当断齿发生后,正确操作是及时止损,更换或修复断齿后的齿轮。更换的齿轮也需要考虑强度设计、材料选择、热处理工艺、加工精度、装配质量等等问题,因此推荐通过齿轮箱制造商来进行更换或修复,这样能保证备件的质量和整机的可靠性。

  原装备件

  总结

  综上所知,从两个齿轮的啮合原理角度出发,当一个轮齿折断后,两个齿轮仍然是可以转动的,因为重合度大于1,但是从实际应用出发,断齿虽然齿轮仍能够传动,但应当机立断,展开补救措施,不可有侥幸心理,否则会酿成更大的损失。

  另一种分析:

  我们用齿轮啮合的视图来展示一下,看如果其中一个齿轮断掉一个齿后,对传动是否有影响。

  这是一对正常啮合的齿轮,从上图我们可以看到,同时参与扭矩传递的齿轮并不只有一个齿,至少是大于一个齿的。所以针对题主的提问,我们可以做一个肯定的回答,你那就是即使是断了一个齿,齿轮依然可以暂时传递扭矩。我们再来看一张图,这个时候齿轮已经断了一个齿了。

  这个时候,齿轮虽然已经断了一个齿,但是断的不是那么“干净”,在齿根部还有一些残余部分,这个时候断的齿依然是参与扭矩传动的,只是局部参与而已,同时与它相连的齿会承受更大的扭矩,如果这个扭矩在齿压的可承受范围内,那齿轮的传动依然是有效的,但是其使用寿命肯定会大大的减小了。这就像两个人去抬水,突然有个人说他腰痛抬不了了,如果你们还想喝水,那另一个人就得自己一个人把谁挑回去,如果只是挑一担水,估计问题不大,如果是不停的挑,那这个人估计也会扛不住,然后就毁了。直到出现下列情况的时候。

  断掉的齿牙出现根部式崩裂,与之相连的齿牙也断裂到与啮合齿轮的齿顶圆没有了交集,这个时候,齿轮的传动正式失效,彻底不能传递扭矩。当齿轮用到这个份上的时候,基本上两个相互啮合的齿轮都会废掉,也就是说,如果你要更换的话,你就得更换一对齿轮了。所以从成本的角度来考虑,如果一旦发现有齿轮出现崩齿情况,要果断的换掉这个齿轮,这样是成本最小化的操作,否则如果你将就使用的话,那换来的将是更大的成本付出。同时不稳定的扭矩传递,还会带来以下影响:

  1、不断的冲击会影响齿轮轴的使用精度和寿命,例如剪切平键,破坏键槽等等;

  2、不断的冲击会影响齿轮轴承力轴承的使用寿命和稳定性;

  3、不稳定的扭矩传输会对整个设备的运行带来不可靠因素,影响设备的正常运行;综上所述,将问题解决于萌芽状态是最好的,最省的一种维护方式,千万不要抱有侥幸心理。

标签: 齿轮传动

点赞

分享到:

上一篇:风电机组齿轮箱相关知识

下一篇:齿轮减速器再制造工艺技术

免责声明:凡注明(来源:齿轮头条网)的所有文字、图片、音视和视频文件,版权均为齿轮头条网(www.geartoutiao.com)独家所有,如需转载请与本网联系。任何机构或个人转载使用时须注明来源“齿轮头条网”,违反者本网将追究其法律责任。本网转载并注明其他来源的稿件,均来自互联网或业内投稿人士,版权属于原版权人。转载请保留稿件来源及作者,禁止擅自篡改,违者自负版权法律责任。

相关资讯