齿轮是常用机械传动件，齿轮断裂轻则必须停机维修，重则危及设备安全甚至造成重大事故。齿轮断裂后简单的更换并不能排除齿轮再次断裂的风险，需要分 析齿轮致断因素并加以改进。为了建立齿轮失效信息库，寻求接近齿轮断裂影响因素全集，我们收集了大量来自不同设备的 断裂处轮信息，对其中部分样本进行了分析。断裂齿轮样本出自轧钢机、采煤机、牵引机车、鼓风机、船用发动机、起重机、飞机、工程机械、采油机械、矿井提升 机和大型抛物天线等多种设备中的圆柱直齿轮、斜齿轮、齿轮轴和锥齿轮等，设备和齿轮受载类型有一定代表性。

　　齿轮断裂致断因素的分类及相关性分析

　　齿轮生命期按时序可分为设计、制造、使用和维护、失效报废等几个阶段。为了避免早断失效，需要确定齿轮生命期中那些因素影响齿轮断裂。齿轮断裂有的是单一因素所致，有的是一个或多个阶段多因素组合致断。

　　齿轮生命期不同阶段影响齿轮断裂的因素

　　2.1设计阶段影响齿轮断裂的因素

　　对断裂齿轮样本的数据表明，设计阶段对发生齿轮断裂影响最 大的因素分别是齿轮结构设计缺陷与齿根或齿顶过渡圆角过小、配合过盈量过大、材料选择不当、安全系数小、齿轮模数、压力角选择不当、行波共振。

　　2.1.1齿轮结构与过渡圆角设计对齿轮断裂的影响 在齿轮断裂样本中，齿轮结构与齿轮上过渡圆角设计对齿轮断裂影响频次超过设计阶段影响频次总数的1/3，相关性十分明显。

　　齿轮断裂样本中，疲劳断裂超过50%.既为疲劳断裂，一般存在裂纹源。齿轮的结构设计缺陷如截面形状突变、厚薄不匀、键槽、油孔等设计不当容易产生裂纹，而 齿顶或齿根处的过小的过渡圆角，既容易在热处理过程中产生裂纹，又容易在工作载荷作用下产生应力集中，致其裂纹扩展直至断裂。齿轮断裂实例证明齿根裂纹形 成对过小的过渡圆弧半径具有较强敏感性。

　　2.1.2配合中的过盈量过大对齿轮断裂的影响 齿轮装配过盈量过大，就要求较大的热装膨胀量，因此需要更高的加热温度，而过高的加热温度可能与材料的热处理温度相冲突，还造成齿轮过度膨胀，装配后在齿 根处留下较大的装配拉应力。又因为加热方式很难保证齿轮均匀加热，导致齿轮受热不均，又会恶化齿根处的装配拉应力分布状况。

　　齿轮设计中，往往按常规计算齿轮齿面接触强度和齿根弯曲强度，容易忽略多因素产生的应力对整个齿轮产生的叠加影响，如过盈装配产生的切向拉应力、传递转距时产生 的弯曲拉应力、次表层热处理的残余拉应力、磨削应力以及销槽造成的应力集中诸应力综合作用。某发动机正时齿轮虽满足一般设计强度要求，却因上述应力综合作 用致齿轮轴向断裂。

　　除了直接影响齿轮断裂，也有间接因素影响齿轮断裂，如某鼓风机叶轮与轴采用过盈配合，装配时采用加热叶轮、自然冷却工艺，转子在冷却过程中产生了轴伸弯曲变形，运转中引起齿轮载荷不均和冲击致最终断裂。

　　2.2制造阶段影响齿轮断裂因素

　　断裂齿轮样本因素数据表明，制造阶段对齿轮断裂影响较大的依次是热处理、装配质量、齿根表面粗糙度、铸锻焊质量、加工刀痕，其中63%的齿轮断裂与热处理相关。

　　2.2.1热处理对齿轮断裂的影响 热处理对齿轮断裂影响因素中，齿根齿表齿端硬度不足、渗透层过浅过深或不均、热处理不适、回火不充分、组织粗大、黑色网状组织等为影响主因。

　　(1) 齿根齿表齿端硬度低对齿轮断裂的影响：热处理通过齿轮表面和心部硬度、硬度梯度及组织均匀性影响其力学性能。较低的齿表硬度降低了齿轮表面接触疲劳强度， 在交变应力作用下，齿合面逐渐磨损，形成磨损严重的齿面和表面麻点甚至剥落坑。这时，齿轮传动重合度减小，相邻齿轮承受传动负载增大，传动时产生冲击，平 稳性下降。实验结果表明，齿合面磨损后的齿根最 大拉应力显著增大，轮齿处于危险状态，容易断裂。齿根处硬度较低则降低齿轮的弯曲疲劳强度。

　　(2) 渗透层深度及厚薄不均对齿轮断裂的影响：齿面硬化层深度不足和齿心部硬度低，在接触载荷作用下，较薄的渗透硬化层难被较软的心部支承而被压碎，硬化层产生 剥落和齿体塑性都使运动间隙增大，产生冲击载荷。冲击载荷使齿根产生的疲劳裂纹加速扩展，致有效承载截面减小，最后不能承受工作载荷而突然断齿。

　　从表层到心部硬度梯度太陡，在表层和心部的界面上会产生较强的残余拉应力。当工作应力与残余拉应力共同作用是容易在此界面上引起裂纹并因疲劳而扩展。过陡的硬度梯度不但加速了裂纹在过渡区内的形成，还会引起深层剥落，加速齿轮的早期断裂。

　　2.2.2齿轮装配质量对齿轮断裂的影响机制：齿轮装配质量从多个方面影响齿轮断裂失效

　　(1) 齿轮或轴与轴承配合误差较大时，容易造成齿轮偏载和冲击。齿轮偏载导致齿合区域不正常，既减小齿合面积，使单位面积承受载荷显著增大；又使齿合位置偏移， 即最 大受力点偏移，造成齿轮本身受力不均匀，偏载处往往因受力集中导致齿轮断裂。这种错位齿合产生冲击和偏载，最终是齿轮早期断裂。

　　(2)配合过盈量过大造成装配应力过大，在齿轮上产生较大的残余拉应力，甚至可能超过外载荷产生的弯曲应力，两种应力共同作用时可能超过齿轮抗弯强度致齿轮断裂。

　　2.2.3齿根表面粗糙或刀痕对齿轮断裂的影响

　　齿根表面粗糙和存在的刀痕易诱发疲劳裂纹。齿轮轮齿承载方式为悬臂加载，最 大弯曲应力在齿根部，齿根处过渡圆角过小产生应力集中，在该处形成应力叠加，交变 应力作用于齿根处的裂纹并致其扩展，直致轮齿残留断面不足以承受工作载荷时瞬间断裂。断裂齿轮的断口形貌分析表明，轮齿断口上的多个疲劳裂纹源都出现在机 加工刀痕处。

　　2.3材料对齿轮断裂的影响因素

　　2.3.1材料中夹杂物对 齿轮断裂的影响机制 齿轮钢强度一般较高，而钢的强度越高，塑性越低时，对缺口的敏感效应越明显。当齿轮受外力作用时，材料中的夹杂物难以变形，而它周围的金属在很大张力下发 生变形流动，使金属和夹杂物界面分离，形成空隙，非金属夹杂物在钢中起缺口和应力集中作用，因此产生裂纹并加速其扩展，从而导致齿轮断裂。

　　2.3.2 齿轮材料力学性能不足对齿轮断裂的影响机制 有的断裂齿轮呈脆断特征，明显表现为材料性能不合。有的虽呈塑性断裂，但其性能不足以抵抗外载荷，如无选材不当，则表示制造过程尤其是热处理未获得必需的 力学性能。力学性能是“齿轮材料+热处理工艺”组合实现的，力学性能不足或因热处理工艺不适，需要改善工艺；或者即使严格按照热处理工艺执行，也不能获得 期望的力学性能，属选材不当，需要重新选择。

　　2.4使用阶段影响因素

　　过载和冲击载荷为使用阶段影响齿轮断裂的主因。首先，设计时对使用条件的判断可能失准，缺少过载能力的合理储备和过载保护设计，这要在安全系数设定时解决； 其次是未在使用说明书中明确界定使用条件；第三，虽有说明，但未对使用者进行必要培训，预防使用中过载和冲击载荷出现。冲击载荷峰值大且持续时间短，多为 偶发因素，除了合理的抗冲击载荷能力储备和峰值拦截设计外，需要减少使用中出现冲击载荷的机会，尤其要避免出现过大的冲击载荷峰值。偏载引起应力集中，恶 化承载齿轮条件，使齿轮局部超过承载能力而断裂。提高装配和安装质量是减少齿轮偏载的重要途径。