Скидка на подшипники из наличия!
Новое поступление товара в 2026 году!
Виды износа зубьев зубчатых передач — это совокупность процессов разрушения рабочих поверхностей и тела зуба, определяющих долговечность передачи. Наиболее значимые виды повреждений зубьев — усталостное выкрашивание (питтинг), заедание, абразивный износ и излом зуба. Первые три связаны с поверхностной прочностью и работоспособностью активного профиля, излом — с объёмной прочностью на изгиб. Понимание механизма каждого повреждения позволяет назначить верный критерий расчёта, материал, термообработку и условия смазывания.
В статье разобраны характерные виды повреждений зубчатых колёс, их признаки, причины и меры предупреждения. Классификация и термины приведены по действующим стандартам, расчётные критерии работоспособности — по нормам расчёта цилиндрических передач на прочность.
Виды повреждений зубчатых колёс, их идентификацию и описание устанавливает ГОСТ 31381-2009. Стандарт распространяется на зубчатые колёса всех видов и систематизирует повреждения по классам, общему виду, виду и степени (начальное, умеренное, предельное). Термины по трению и изнашиванию заимствованы из ГОСТ 27674-88, общая терминология зубчатых передач — из ГОСТ 16530-83. В качестве самостоятельных классов повреждений стандарт выделяет изнашивание, заедание, остаточную деформацию, контактную усталость, возникновение и развитие трещин, разрушение зуба.
С инженерной точки зрения повреждения удобно разделить на две группы по характеру нагружения, ответственного за разрушение:
Поверхностные повреждения — основной вид отказа закрытых передач; излом — главная опасность для открытых и тяжелонагруженных передач.
Усталостное выкрашивание (питтинг) — это процесс постепенного накопления повреждений и разрушения поверхностных слоёв материала под действием циклических контактных напряжений, сопровождающийся образованием ямок выкрашивания. Это типичный и наиболее распространённый вид повреждения рабочих поверхностей закрытых, хорошо смазываемых передач, где абразивный износ подавлен масляной плёнкой.
При перекатывании зубьев в поверхностном слое действуют циклические контактные напряжения. На участках наибольшей нагрузки — преимущественно у ножки зуба и вблизи полюсной линии — со временем зарождаются микротрещины. Развиваясь под действием касательных напряжений и расклинивающего действия попадающего в трещину масла, они смыкаются, и частицы металла выкрашиваются, оставляя осповидные углубления.
Различают начальное (ограниченное) и прогрессирующее выкрашивание. Начальное выкрашивание у приработанных передач из материалов невысокой твёрдости может стабилизироваться и не развиваться. Прогрессирующий питтинг распространяется по всей высоте профиля; по мере роста площади ямок сокращается несущая поверхность, растёт местное давление, нарушается плавность зацепления, усиливаются шум и динамические нагрузки. Глубокое разрушение упрочнённого слоя с крупными выколами называют отслаиванием (выкрашиванием по глубине).
Основные причины: контактные напряжения, превышающие предел контактной выносливости; недостаточная твёрдость поверхности; тонкая масляная плёнка (низкая вязкость, перегрев). Меры предупреждения: повышение твёрдости рабочих поверхностей (поверхностная закалка, цементация, азотирование), правильный выбор вязкости масла, обеспечение режима с достаточной толщиной плёнки, проверочный расчёт на контактную выносливость.
Заедание — повреждение, возникающее при нарушении сплошности масляной плёнки и появлении прямого металлического контакта рабочих поверхностей. В зонах фактического контакта микронеровностей под действием высоких локальных давлений и температуры происходит схватывание (так называемая холодная сварка), а при относительном скольжении зубьев сцепления разрушаются с вырыванием и переносом металла. В ГОСТ 31381-2009 заедание выделено как самостоятельный класс повреждений (близкий по природе к адгезионному изнашиванию); его выраженная форма с бороздами в направлении скольжения — задир.
Заедание характерно прежде всего для высокоскоростных и тяжелонагруженных передач, где велики скорости скольжения и тепловыделение в контакте, а также для тихоходных тяжелонагруженных передач при граничной смазке. Признак — задиры и борозды, ориентированные вдоль направления скольжения, у головки и ножки зуба, где скольжение максимально.
Причина — выдавливание смазочного материала из зоны контакта при перегрузке, высокой температуре или недостаточной несущей способности плёнки. Меры предупреждения близки к мерам против изнашивания: повышение твёрдости поверхностей, снижение шероховатости, применение масел с противозадирными (противоизносными) присадками, ограничение температуры и контактного давления, улучшение прирабатываемости.
Абразивное изнашивание — механическое изнашивание материала в результате режущего или царапающего действия твёрдых частиц. Это основной вид разрушения открытых передач, а также закрытых передач, недостаточно защищённых от загрязнения (пыль, песок, продукты износа, частицы выкрошенного металла). Характерный вид поверхности — система мелких параллельных рисок и полос в направлении скольжения.
По мере изнашивания уменьшается толщина зуба, искажается эвольвентный профиль активного участка, увеличиваются боковые зазоры в зацеплении. Следствие — рост динамических нагрузок, шума и вибрации, а уменьшение сечения у основания зуба снижает его изгибную прочность и может в итоге привести к излому.
Причины: открытое исполнение передачи, загрязнение смазочного материала, отсутствие или нарушение уплотнений. Меры предупреждения: повышение твёрдости зубьев, защита зацепления от загрязнений, герметизация корпуса, фильтрация и своевременная замена масла, применение закрытого исполнения там, где это возможно.
У открытых передач выкрашивание проявляется слабее, поскольку поверхностный слой непрерывно срабатывается абразивным износом; поэтому их часто рассчитывают на изгибную выносливость с учётом износа, а не на контактную.
Пластическая деформация (пластические сдвиги) возникает у тяжелонагруженных зубчатых колёс из материалов невысокой твёрдости, когда напряжения на площадках контакта превышают предел текучести. Поверхностный слой металла перемещается в направлении скольжения: на ведущих зубьях у полюсной линии образуется впадина, а у головки и ножки — наплывы (выступы). Искажение профиля нарушает правильность зацепления.
Меры предупреждения те же, что и против контактных повреждений: повышение твёрдости поверхностного слоя термической и химико-термической обработкой, ограничение пиковых нагрузок, корректный выбор материала по уровню контактных напряжений.
Излом — наиболее опасный вид повреждения: он выводит передачу из строя внезапно и нередко влечёт повреждение смежных деталей. Различают усталостный излом и излом от однократной перегрузки.
Развивается под действием переменных напряжений изгиба, циклически меняющихся по прерывистому отнулевому (или знакопеременному при реверсе) циклу. Трещина зарождается в зоне концентрации напряжений у основания зуба (галтель переходной поверхности) на растянутой стороне и постепенно развивается вглубь до окончательного долома. Поверхность усталостного излома содержит характерную зону постепенного развития трещины и зону долома.
Происходит при больших ударных или статических перегрузках, превышающих несущую способность зуба. У вязких материалов наблюдается волокнистый (матовый) излом с признаками пластической деформации, у твёрдых и хрупких — кристаллический излом по плоскостям скола.
Причины: недостаточная изгибная прочность, концентраторы напряжений у основания зуба, перегрузки, предшествующий износ и выкрашивание, уменьшившие сечение. Меры предупреждения: проверочный расчёт на изгибную выносливость, увеличение модуля, положительное смещение исходного контура, увеличение радиуса галтели, поверхностное упрочнение основания зуба (в том числе дробеструйный наклёп), снижение динамических и ударных нагрузок.
Связь видов повреждений с расчётом отражена в нормах расчёта цилиндрических эвольвентных передач на прочность — ГОСТ 21354-87. Стандарт распространяется на металлические цилиндрические передачи внешнего зацепления общего применения со стандартным исходным контуром по ГОСТ 13755-2015, модулем m не менее 1 мм, работающие со смазкой при окружных скоростях до 25 м/с. Он устанавливает два основных проверочных расчёта, каждый из которых предотвращает свой вид повреждения.
σH ≤ σHP
σHP = σH lim · ZN / SH
σF ≤ σFP
σFP = σF lim · YN / SF
σH
σF
σH lim
σF lim
ZN
YN
SH
SF
Контактное напряжение в зоне зацепления определяется по теории Герца: оно растёт с увеличением нагрузки и уменьшается при увеличении приведённого радиуса кривизны профилей. Поэтому увеличение модуля, числа зубьев и положительное смещение, повышающие радиусы кривизны, снижают σH и риск питтинга.
Основные виды повреждений: усталостное выкрашивание (питтинг), заедание и задир, абразивное и адгезионное изнашивание, пластическая деформация и излом зуба. Первые относятся к поверхностным повреждениям, излом — к разрушению тела зуба при изгибе. Классификацию устанавливает ГОСТ 31381-2009.
Питтинг — усталостное выкрашивание поверхности под действием циклических контактных напряжений, проявляется осповидными ямками. Возникает, когда контактные напряжения превышают предел контактной выносливости при тонкой масляной плёнке; характерен для закрытых смазываемых передач.
Заедание — адгезионное повреждение: при разрыве масляной плёнки происходит схватывание и перенос металла, остаются борозды вдоль скольжения; типично для быстроходных и тяжелонагруженных передач. Абразивный износ — царапающее действие твёрдых частиц с равномерным утонением зуба; типичен для открытых и загрязнённых передач.
Излом бывает усталостным (трещина зарождается у основания зуба под действием переменных напряжений изгиба и развивается до долома) и от однократной перегрузки (ударная или статическая нагрузка сверх несущей способности). Развитию способствуют концентраторы у галтели и предшествующий износ, уменьшивший сечение.
Повышать твёрдость рабочих поверхностей термической и химико-термической обработкой, корректно выбирать масло и режим смазывания, защищать зацепление от загрязнений, обеспечивать достаточный модуль и радиус галтели, выполнять проверочные расчёты на контактную и изгибную выносливость по ГОСТ 21354-87.
От усталостного выкрашивания защищает расчёт на контактную выносливость (условие σH ≤ σHP), от усталостного излома — расчёт на изгибную выносливость (условие σF ≤ σFP). Для закрытых передач контактный расчёт обычно проектировочный, изгибный — проверочный; для открытых наоборот.
В открытых передачах поверхностный слой непрерывно срабатывается абразивным износом, поэтому усталостные трещины не успевают развиться до выкрашивания. Преобладающим повреждением становится износ, и такие передачи рассчитывают на изгиб с учётом утонения зуба.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.