Page 48 - 《摩擦学学报》2021年第5期

第 5 期 李纪强, 等: 齿轮传动微点蚀与热胶合竞争性失效机制研究 637

齿轮传动系统是机械装置重要的基础零部件，随 线运动过程中，由于过高的齿面接触压力，造成油膜
着应用需求的不断变化，目前正向着高功率密度、高 厚度减小，在不足以把两齿面微观波峰隔开的情况
可靠性和长服役寿命的方向快速发展. 在高接触应力 下，将会发生微凸体的直接接触，此时由于两齿面间
和宽旋转速域的服役条件下，受复杂因素交织影响， 的相对滑动，会产生多对微凸体之间的错峰相切，在
啮合齿面易呈现出多变的损伤形式 [1-3] ，常常表现出点 较高剪切应力和接触应力的作用下，微凸体薄弱部位
蚀、微点蚀、热胶合、深层剥落以及齿面断裂等多种失 即会形成裂纹起源，随着啮合次数的不断增加，初始
效模式的随机出现. 尤其在航空航天和新能源电动汽 疲劳裂纹逐步扩展，在达到一定的循环次数和裂纹
车领域，齿轮传动系统微点蚀与热胶合两种损伤形式 尺寸的条件下，即会形成微凸体的疲劳剥落，如图1所示.

经常性地发生模式转变，表现出显著的竞争性关系. 微点蚀产生的影响因素较多，如传递载荷、相对
经过多年的理论研究和试验测试，微点蚀和热胶合均 运动、油液性能、几何齿形、表面光洁度、加工纹理以
已形成了相互独立的承载能力计算标准体系. 微点蚀 及制造齿轮的材料特性和相应的表层改性工艺方法
通过最小油膜厚度与齿面粗糙度的比值来评价其承 等 [12-15] ，但主要可归结为两啮合齿面间的接触应力、膜
载能力，关于微点蚀的最新研究，也大多集中于最小 厚比、相对滑动速度以及齿轮承载基体的微观力学特
油膜厚度的精确计算以及超精加工抗微点蚀技术的 性4个主要方面. 其中，传递载荷、相对运动、油液性
开发 [4-5] . 基于齿面接触温度，热胶合分析也形成了闪 能、几何齿形决定了齿面接触应力的大小，同时，润滑
温法和积温法两种标准评价体系，当前研究主要集中 油膜也会对局部接触应力的分布产生重要影响；而作
于瞬时啮合时变温度下润滑油黏温特性与黏压特性 为微点蚀评判重要依据的膜厚比则受传递载荷、相对
的精准确定以及基于热-弹耦合热胶合规避的齿轮多 运动、油液性能、几何齿形和表面粗糙度多个因素的
目标综合优化技术 [6-9] . 但关于微点蚀与热胶合失效模 影响，在齿轮传动抗微点蚀承载能力设计中起着决定
式的损伤机理目前仍缺乏深层次的对比分析，也没有 性作用；齿轮材料的化学成分、冶炼工艺、热处理工艺
就两者竞争性损伤关系具体研究. 本文作者正是基于 和表层强化方法则构成了承载基体抵抗微点蚀脱落
技术发展和工程应用需要，针对齿轮传动在重载变速 的重要微观力学性能. 各因素具体作用关系如图2所示.
域下微点蚀和热胶合失效发生的模式转变现象展开 经试验测试，微点蚀脱落坑起源于齿面，尺寸比
研究，以探讨两种失效模式的综合评价方法，进一步 较微小，且裂纹多与表面呈小于45°的倾斜角，典型径
[16]
提高齿轮传动系统设计的可靠性和精准性. 向尺寸10~20 μm，深度10 μm ，见图3. 由于微点蚀与

齿面粗糙度有较大的关系，因此，对于硬齿面齿轮，在
1 微点蚀与热胶合失效机理
跑和阶段齿面更易发生微点蚀.

1.1 微点蚀 1.2 热胶合
微点蚀是在混合润滑或干摩擦条件下由于两粗 热胶合则是在干摩擦接触或混合润滑状态下由
糙齿面微凸体发生直接接触从而在周期性循环应力 于摩擦升温两啮合齿面形成焊合和撕裂而造成的材
作用下产生的表层材料疲劳剥落 [10-11] . 在齿对沿啮合 料损失. 在啮合过程中，由于过高的接触压力和相对

(a) (b)
Surface-1

Hydrodymatic lubrication Surface-2

Initiation and propagation of micro crack Surface-1
during the forming of fatigue shedding 3
2
1
Mixed/boundary lubrication Surface-2 100 μm

Fig. 1 The diagram of fatigue shedding on rough surfaces and photograpgh of micro-pittings at high magnification
图 1 粗糙表面微凸体疲劳剥落示意图与微点蚀高倍形貌