塑料齿轮的失效形式

失

效

形

式

节点附近断裂

齿根附近处断裂

动力传动轮系中塑料齿轮有多种多样的失效形式，其中齿轮轮齿断裂的主要失效形式有两类：一是轮齿在齿根附近处断裂；二是轮齿在节点附近处断裂

失

效

原

因

节点附近断裂如图b所示。是由于材料的抗热能力差，在啮合过程中，轮齿齿面摩擦热和齿面内部黏弹性体材料受到挤压后分子间的内耗热所引起的温升，以及机械负荷共同作用所产生的一种失效形式

当齿轮由中速到高速传递动力时，在节点P到最大负荷点之间的区间内，由于材料的高温无法很快释放出去，造成齿面软化而出现点蚀。进而在齿宽中间部位沿轴向产生细小裂纹。随着传动的进行，裂纹向齿宽方向发展，直至两端面，最后引起轮齿在节线附近发生断裂。这种失效多发区因模数、齿数、负荷及其他传动条件的不同而有所差异，但基本上集中在节点附近最大负荷点上下的区域内

在齿轮传动中，齿面摩擦热和材料黏弹性内耗热所引起的轮齿的温升分布情况如图a所示。在节点附近形成高温区，由于温度的升高，材料的拉伸强度则会明显降低。在这种情况下，危险点不是在齿根部位，而是在节点附近。随着运转次数的增加，危险点附近首先产生点蚀和裂纹，然后逐渐扩展直至节点附近的轮齿断裂

齿根附近处折断如图c所示。当轮齿进入啮合起始点f承载时，轮齿齿根处所承受的拉伸负荷(或弯曲负荷)最大。这种拉伸负荷在某一瞬时可能会引发裂纹，并逐渐向体内延伸，直至轮齿断裂。这种失效通常发生在高负荷、低速运转的工况下和当齿轮齿根圆角太小、应力过分集中、轮齿抗弯强度不足时

降低

节点

处断

裂失

效的

优化

设计

要点

轮齿节点附近断裂失效，主要是塑料的抗热能力差所引起的。如何抑制热的生成和将热量迅速扩散出去，是塑料齿轮轮系设计中的重要课题。日本学者通过数百对钢齿轮与滚切加工的塑料齿轮样机传动啮合试验，提出以下塑料齿轮轮齿参数的优化设计意见：

(1)齿数z　通过选择比较多的齿数，来减小齿根处的滑动速度，降低摩擦热量的生成；

(2)模数m　尽量选择小一些的模数值，降低齿面间的相对滑动速度，使每对轮齿的啮合时间缩短，所生成的热量也会有所减少。一般情况下，所选取的模数m可上靠标准模数系列推荐值；

(3)压力角α　取标准压力角α＝20°，为增大轮系重合度，可选较小的压力角；为增强齿根弯曲强度，可选较大的压力角；

(4)齿宽B　可根据轮齿齿根强度的需要，适当增大齿宽；

(5)蜗杆蜗轮组合　钢蜗杆与塑料蜗轮(或斜齿轮)组合比塑料蜗杆塑料蜗轮(斜齿轮)组合的效果更佳