高承载齿轮传动运行中，其胶合失效边界的范围要如何测定？

文 | 远山竹叶

编辑 | 远山竹叶

前言

作为一种重要的机械传动装置，变速变扭高承载齿轮传动如今已经广泛引用在工程领域当中，该类型齿轮传动不仅能够实现速度的变换，还能够提供高承载能力和大扭矩输出。

然而，由于在实际运行过程中受到各种复杂工作载荷的影响，高承载齿轮传动往往会出现胶合失效现象，导致传动系统的可靠性和寿命降低。

根据目前人们的研究进展，其实针对变速变扭高承载齿轮传动胶合失效的研究成果尚不充分，大多数研究都是集中在传统的静态载荷条件下，对胶合层的强度与剪切性能进行测试和分析。

然而，在实际工作环境中，胶合失效往往与周期变换的动态载荷密切相关，那么人们对于提高传动装置的可靠性和寿命又该从哪些方面入手呢？

热胶合与齿轮的重要联系

研究人员在研究讨论热胶合以及齿轮之间关系的时候，发现了能够提高传动装置的可靠性以及寿命的切入点，这里就需要首先了解齿轮的机械性质。

作为机械装置重要的基础零部件，齿轮也伴随着应用需求的变化而不断变化，目前正向着高功率密度、高可靠性、长服役寿命的方向快速发展。

齿轮零件在高接触应力服役条件下，受复杂因素影响的啮合齿面呈现出多样的损伤形式，在同一应用中，常常表现出热胶合、点蚀、微点蚀、深层剥落以及齿面断裂等多种失效模式，而对于高线速度、大滑差重载传动齿轮，又以热胶合为甚。

尤其在工程机械、航空航天、轨道交通和电动汽车领域，热胶合失效对传动装置以及整机的可靠运行产生了重要影响。

对此，研究人员经过多年的研究，已经让热胶合形成了相对完整的标准校核体系，针对齿形设计、制造工艺以及润滑油液等问题也进行了一定的研究分析。

其中一部分研究人员，从提高齿轮抗胶合耐磨损能力的观点出发，建立了满足必要约束条件下的渐开线齿轮变位系数优化设计数学模型。

另一些人则分别以啮合齿面积分温度，和最高闪温准则为优化目标，采用数学规划的形式，对直齿轮抗热胶合设计的齿廓修形进行了优化，提高了齿轮副的抗热胶合承载能力。

还有一些研究人员更是基于积分温度准则，经计算统计，分析了压力角对齿轮平均温升的影响。

国内主流的研究方式则是，对比分析了传统喷丸、微粒子喷丸以及传统喷丸与微粒子喷丸组合对材料齿轮热胶合的影响，得出了传统喷丸和微粒子喷丸工艺组合，通过降低表面粗糙度、提高表面硬度和引入残余压应力，有效提高齿轮传动热胶合承载能力。

但是国外的研究人员则研究了不同表面处理，和涂层对硬齿面齿轮抗热胶合性能的影响。

无论是哪一种方式，这些研究尚缺乏针对复杂工况下变速变扭齿轮传动热胶合承载能力的影响分析和精确评估的系统研究。

因此，基于热胶合损伤产生机理的分析，探讨受多因素耦合影响的齿面接触温度分布规律，并针对渗碳淬火润滑油组合，进行热胶合承载能力试验，就显得尤为重要。

那么热胶合究竟是一种什么反应呢？

热胶合损伤

其实热胶合就是两啮合齿面，在干摩擦接触或混合润滑状态下，由于摩擦升温形成焊合与撕裂而造成的材料损失，在这里也被称为“热胶合损伤”。

二者在啮合过程中，由于过高的接触压力和相对滑动速度，促使齿面的接触温度瞬时升高，此时，隔离两啮合齿面的润滑油膜破裂，金属活性也会逐渐增大。

而就此引起的反应就是，在较大接触载荷的作用下，两接触齿面即会形成微观尺寸级别上的金属焊合，伴随着两啮合齿面持续的相对滚滑运动，局部焊合金属会被无规则地撕裂，从而造成齿面材料的脱落。

虽然热胶合在一定条件下会瞬时产生，但也存在着一个渐进发展的过程，材料会沿齿廓、齿向两个方向不断扩展。

在这里需要强调的就是，热胶合与传统意义上的疲劳损伤有着本质的不同，疲劳损伤存在着裂纹起源、扩展、失稳断裂的一个渐进过程，发展周期较长。

而热胶合则是由于局部失效造成有效接触面积的减少，促使其剩余齿面接触应力进一步增大，从而形成热胶合面积的快速扩展，相对来说发展过程较短。

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因此在热胶合发生后，传动齿轮副的振动噪声和功率损耗会显著增大，同时，热胶合损伤沿相对滑动方向具有明显的方向性，其撕裂痕迹在热胶合整个形成与发展过程中，具有沿齿廓方向呈现的特性。

研究人员在研究的过程当中发现，影响热胶合产生的因素较多，如接触载荷、相对运动、油液性能、几何齿形、微观形貌以及制造齿轮的材料性能和改性工艺等。

其中，接触载荷、几何齿形、润滑性能决定局部接触应力的大小，接触载荷、相对运动、油液性能、几何齿形、微观形貌的主要因素共同决定了膜厚比的大小。

而几何齿形与相对运动又共同决定了两齿面相对滑差的大小，材料的化学成分、热处理和强化工艺则构成了齿轮抵抗热胶合失效的物理性能。

因此，可以确定的是齿轮抵抗热胶合失效的反应，其实与齿面瞬时啮合温度息息相关。

齿面接触温度分析

何为齿面瞬时啮合温度？其实就是促使齿面发生热胶合破坏的最主要因素之一。

前文提到，在啮合传动过程中，由于高压载荷的作用，润滑油会产生黏性剪切和压缩摩擦，所形成的热量会促使齿面温度瞬间升高，并对润滑油膜产生较大影响。

那么在高温高压下，一旦油膜厚度不能完全把两啮合齿面隔开，就会造成两接触齿面间金属的直接焊合，从而形成热胶合失效。

因此，对于变速变扭齿轮传动，瞬时啮合温度在齿轮参数设计和油液特性选择方面具有重要意义。

而对于齿面瞬时啮合温度的计算，目前主要有热弹流理论方法，热弹流理论就是由热弹流润滑雷诺方程推导得出，其实还有另一种方法，是基于赫兹接触、滑差分布、热量分配由试验测试拟合修正得到的。

研究人员主要考虑到，瞬时接触闪温散热残留对啮合齿面本体温度的影响，受载荷、滑差、齿面粗糙度、油液黏度等多种因素的影响。

然而在实际的工程应用中，还需结合润滑油选用黏度、油温控制和适用工况进行润滑设计和参数优化，基于上述理论分析，对齿轮传动啮合过程中，齿面接触温度变化规律进行计算，以此来论证理论的正确性。

研究人员所采用的算例为：试验测试所用齿轮的设计参数和运行工况，经计算分析，试验齿轮副的齿面应力、滑动比与摩擦热沿齿廓的分布自然也就一目了然。

其实不难看出，由于单双齿啮合区的存在，接触齿面在转变点存在着载荷跳跃，单齿啮合区存在着明显较大的接触载荷。

但结合滑动比和摩擦热沿齿廓的分布可以发现，由于节点附近啮合齿轮副的滑动比较小，在较大法向载荷的作用下节点处，其摩擦热仍然相对最小。

而由于在齿廓根部两啮合齿面的相对滑差较大，以此处产生的摩擦热为最大，所以在其他运行情况下，齿面应力、滑动比与摩擦热沿齿廓的分布规律与此类同，受传递转矩、齿轮转速、油液黏度与润滑温度的影响，仅具体数值有一定差异。

其中能够直接影响到齿面接触载荷的大小的就是传递转矩，通实验研究人员发现，传递转矩越大，两啮合齿面的挤压作用也就越明显，在高接触应力下，摩擦生热现象更为严重。

所以在工程应用中，人们需根据传递转矩设计合理的中心距与工作净齿宽，通过齿面最大接触载荷的控制，以保证传动齿轮在变速变扭工况下具有足够的抗热胶合承载能力。

但与传递转矩的作用不同，齿轮转速决定的是两啮合齿面间，相对切向滑动速度的大小，当然相对切向滑动速度，也与油膜形成的卷吸速度，和单位时间内生成的热量直接相关。

这其中的关系也很简单，高的卷吸速度有利于润滑油膜的建立，但如果短时生成的大量热不能及时带走，又会促使齿面接触温度的快速升高。

所以，转速对传动齿轮副的影响具有正反两个方面，但是其实齿轮转速对齿面的啮合残留温升和接触闪温均有影响。

结合算例分析，虽然齿轮转速对传动齿轮副的润滑有正反两个方向的影响，但整体来说，齿轮转速增大会促使齿面接触温度的增高，并且随着齿轮转速的提高，接触温度增幅不断增大。

因此，在实际的工程应用中，需结合运行条件，根据齿形滑差和节圆半径，对传动齿轮的最高转速进行适当的控制，如最大线速度。

而以上的这些只是针对齿面接触温度的分析，实际上还需要考虑的因素有很多，其中就比如润滑油对于温度的影响。

由于润滑油温对齿面接触温度的影响较大，因此在工程应用中，对于变速变扭齿轮传动，可采用合适的润滑油冷却装置，包括但不限于水冷装置、风冷装置、筋板散热等来控制油温，以提高传动齿轮的抗热胶合承载能力。

将所有的温度影响因素全都考虑在内之后，就需要大量的实验来找出热胶合发生时候的失效边界，一次性判断出最佳的应用结果。

试验测试

为了验证前述计算分析的正确性，找出热胶合发生的失效边界，研究人员开展了大量的试验测试，针对试验齿轮所进行的齿面微观形貌测量如下图所示。

由于该型试验台能做到两端负载与转速基本相同，为了互验证测试结果的准确性，研究人员采用了双向对比的实验方式，在两个箱体内均安装了相同的试验齿轮副，并与两弹性轴共同组成封闭机械结构。

在实验进行的同时，内部封闭转矩通过液压加载器进行施加，在运行过程中仅仅需要驱动电机补偿由于摩擦造成的功率损失，试验转矩和齿轮转速则分别通过传感器进行测定。

而为了结合实际工程应用需要，研究人员主要针对传递转矩和齿轮转速变化对接触温度与齿面损伤的影响展开试验测试。

在成形磨削工艺下，所测试验齿轮齿面平均粗糙度远大于所有试验工况下，最小油膜厚度的计算值，这就表明各试验方案下润滑油膜厚度已不能把两啮合齿面有效隔开，均存在着发生热胶合失效的风险。

而各试验方案下的测试结果，与齿面最大接触温度的计算数值，因为在试验运行条件下已出现热胶合现象，基于边界效应，预设试验的分组将不再执行。

这样的实验结果就表明，再多的润滑油膜厚度，也只是保证传动齿轮抗热胶合承载能力的必要条件之一，齿面接触温度才是热胶合产生的决定性因素。

可见转速增高对赫兹接触应力和润滑油膜厚度的影响有限，传递转矩的作用更大，此时，在3种转速下的齿面最大接触温度分别为 197 ℃、206 ℃和 217 ℃，可以看到，转速增高造成了齿面瞬时热生成密度的提高。

因此，也验证了渗碳淬火加上润滑油组合齿轮传动，确定为220 ℃的热胶合失效边界温度是较为准确的，一定的差值可理解为计算的方法误差和试验的随机误差，这在实际应用中，为了保证传动齿轮运行的可靠性，可对热胶合设计留有一定的安全裕量。

另一方面，在最小润滑油膜厚度小于齿面平均粗糙度的条件下，只要两啮合接触金属面发生直接接触，在达到热胶合失效边界温度的情况下，均存在着发生热胶合失效的风险。

所以通过对齿轮传动热胶合失效损伤机理、齿面接触温度计算方法、热胶合影响因素、热胶合失效边界的研究分析和试验测试，主要得出以下结论：

第一点：传递转矩与齿轮转速均会对啮合齿面的接触温度产生较大影响，在变速变扭齿轮传动热胶合承载能力设计的过程中，应通过接触应力与节圆线速度的优化，控制齿面最大接触温度，以保证足够的抗热胶合能力。

第二点：对于变速变扭齿轮传动，在润滑设计时，应根据运行状况合理选择油液黏度，并配合适当的冷却装置控制油液温度，以避免极端工况短时出现导致的热胶合失效。

第三点：在两啮合齿面金属发生直接接触的情况下，相对于润滑油膜厚度，接触温度的影响更大，在足够高的转速下，即使油膜厚度会有一定的增加，但仍有较大的概率发生热胶合。

第四点：齿轮热胶合失效为非疲劳损伤，在达到失效边界温度时，会快速形成并发展，对于渗碳淬火加上润滑油组合的传动齿轮，热胶合失效边界温度约为220 ℃。

结语

人们的研究为进一步理解和优化变速变扭高承载齿轮传动胶合失效，提供了重要的理论基础和实验依据。

相信在未来的研究中，研究人员可以从更多细节方面深入探究，包括胶合层的精细结构和性能表征、动态载荷对胶合失效的更详细影响机理等。

通过进一步提高传动装置的可靠性和寿命，为相关领域的工程应用提供更好的技术支持和指导。