齿轮的试验方法

齿轮承载能力试验
确定齿轮承载能力大小和寿命的有关试验，称为齿轮承载能力试验。根据齿轮最终的失效形式，齿轮承载能力试验可分为：
1)磨损试验——测定轮齿磨损量、磨损寿命、研究磨损形式和磨损机理等。
2)胶合试验——测定齿面和齿体的温度、油膜厚度、油品抗胶合能力等。
3)齿面疲劳试验—测定点蚀、剥落的寿命和极限应力等。
4)塑性变形试验——测定齿面和齿体的塑性变形量和相应的承载能力。
5)轮齿折断试验——测定疲劳断齿、过载断齿和随机断齿的极限应力和齿根应力。

影响齿轮承载能力因素的试验
探讨、寻找影响齿轮副承载能力大小各因素的有关试验。影响齿轮承载能力各因素的试验有：
1)与齿轮传动效率有关的影响因素的试验——测定齿轮啮合时的摩擦系数、传动效率和温升等。
2)与载荷有关的影响因素的试验——测定齿轮的动载荷，测定齿宽方向载荷分布状况和齿间载荷分配状况。
3)与极限应力有关的影响因素的试验——测定材料、热处理、大小齿轮硬度差、轮齿尺寸、润滑、残余应力等对齿轮极限应力的影响。
4)与几何参数有关的试验——确定齿形、变位、修形、重合度、轮齿刚度、螺旋角、齿宽和中心距等参数对齿轮承载能力的影响。
5)与齿轮传动质量有关的试验—测定齿轮的振动、噪声和其它动态性能等。

齿轮试件
齿轮试件是齿轮的试样。它的一致性和可靠性是很重要的，它的质量直接影响试验的结果。对大量生产的产品质量检验性的强度试验的齿轮试件，应按数理统计方法进行随机抽样。对于试验室试验，齿轮试件应符合试验的要求并有严格的一致性。对齿轮试件的基本要求是：齿轮试件尽量与实际齿轮相似；齿轮试件的材料应严格保证一致性。齿轮试件的加工应严格保持一致；齿轮试件应达到同样的跑合状态。
对同一批齿轮试件，在经过精心设计、严格控制材料、加工和跑合运转后，若各项数据仍然存在一定范围的离散性，这是允许的。在进行主、从齿轮配对时，应尽可能使各对试件的硬度差、齿宽差、顶圆直径差大致接近。

失效判据
判断失效的技术标准，称为失效判据。如轮齿弯曲疲劳失效，齿面接触疲劳失效和齿面胶合失效，都分别有其失效判据。

轮齿折断的失效判据
确定停止试验的弯曲疲劳失效判据，目前还没有统一的规定。通常认为轮齿折断就是齿轮寿命的终止，然而一些资料认为，轮齿的弯曲疲劳失效，应以齿根出现一定程度的裂纹为标志。在试验过程中，可以观察到从齿根出现裂纹到断齿之间在寿命上的差别，多则达一倍以上(如圆弧齿轮)，少则只有几分钟(如球墨铸铁齿轮)。考虑到试验中发现齿根裂纹存在的实际困难，仍以断齿作为失效判据，这样简单易行。
显然，齿轮的噪声、振动的变化、封闭系统转角的变化以及断齿的冲击作用等都可以作为监测齿轮试验运转情况的措施，这样可达到轮齿折断时试验机能自动停机，防止对设备严重损坏的目的。

点蚀的失效判据
各行各业对齿轮传动的要求不同，因此，齿面疲劳点蚀的失效判据没有统一的规定。下述准则之一都可作为评定齿面疲劳点蚀的失效判据：
1)一个或几个疲坑的直径达到计算接触面积短半轴的一半；
2)接触面积减少到按静强度准则极限值；
3)疲坑面积已经占据了整个被试表面积的规定部分。
4)沿接触表面任一母线的整个长度上均出现疲坑，或疲坑数目达到极限值；
5)在齿面上出现一定数量的疲坑；
6)开始出现扩展性点蚀；
7)出现疲坑的最初征兆；
8)在一定数量的轮齿上出现肉眼可见的疲坑。
在齿轮试验过程中，采用AC纸(醋酸纤维纸)做齿面复型，并将AC纸复型置于偏光显微镜下观察，可以观察到齿面微裂纹和齿面的微小损伤。将齿面点蚀复型用投影仪放大，再用求积仪测量点蚀面积，从而获得准确的点蚀面积。因此，用疲坑面积率作为点蚀的失效判据比较合理。
下列准则可作为点蚀失效的间接判据：噪声音调高度、振动强度和摩擦力矩的变化。

胶合的失效判据
影响胶合损伤的因素很多，目前尚无统一的胶合失效判据，下列准则之一都可以作为评定齿面胶合失效的判据：
1)接触表面的润滑油膜破裂(根据接触表面电阻值来判断)；
2)被试表面按照一定的分类方法(例如磨光、划痕、擦伤、胶合)出现可见的破坏；
3)被试表面部分面积上出现胶合(例如40％的面积)；
4)接触区温度升高。
显然，上述第二个判据，用肉眼观察(距离250mm左右)小齿轮齿面上发生的情况，较为方便，故应用较为普遍。
在胶合试验中，油池温度的升高和润滑油的气化，也可作为胶合失效的间接判据。

磨损的失效判据
下述准则之一都可作为评定齿面磨损的失效判据：
1)与初始状态对比，出现了齿廓失真；
2)危险剖面的齿厚减小；
3)磨屑的生成量。
显然，第三判据是耐磨试验的间接判据，前两种是直接判据。
测定磨损量和判定磨损状态，可用下列方法：称重法、几何尺寸或形状比较法、铁谱分析法、光谱分析法、放射性测示法。

齿轮动载荷的测量
用试验的方法测定轮齿上的动载荷。其方法有：测量齿上的动应力；测量齿上的加速度；测量齿轮轴上的动转矩。
测量齿轮动载荷，可采用功率开放型或功率封闭型齿轮试验机。使用电阻应变仪、频率分析仪、记录仪等仪器。具体的测试方法可查阅有关专业书刊。

齿向载荷分布的测量
用试验的方法测定齿向载荷分布状态。可用：应变法；位移法。这两种方法都是间接的。在获得测量信息后，最后归结为解一组线性方程。试验时采用的仪器有：千分表、应变仪等。具体的测试方法可查阅有关专业文献。

齿间载荷分配的测量
用试验的方法测定齿间载荷的分配状态，可采用电测法。使用的仪器有：电阻应变仪、光线示波器等。具体测试方法可查阅有关专业文献。

齿轮传动效率的测量
齿轮传动效率 η=η_m·η_b·η_o
式中，η_m为齿轮啮合效率；η_b为轴承效率，η_o为油阻损失效率。
η_m、η_b和η_o很难准确确定。通常采用实测的方法测得齿轮传动效率η_o。测定齿轮传动效率可在开放功率流或封闭功率流齿轮试验机上进行。可直接测得齿轮输入和输出轴上的转矩T_i和T_o，计算出齿轮传动效率，试验时采用转矩转速传感器或用磅秤测定输入轴和输出轴上的转矩。具体操作方法见有关专业文献。

齿轮本体温度的测量
本体温度是指轮齿即将进入啮合时的齿面温度，也叫体积温度。
可在齿面表层下埋入热电偶，测定齿面各处的温度，用热网络分析法，得到齿轮本体温度。测量点放置的位置不同，测量的结果也不同。根据热平衡原理，油池油温就是齿轮本体温度，故也可测量油温。测试齿轮本体温度的具体操作方法，可参阅有关文献。

齿面温度的测量
齿面温度是指退出啮合时齿面的温度，也叫齿面瞬时温度。由于齿面瞬时温度是一瞬间现象，因此测定是非常困难的。目前可采用下述测试方法：动态热电偶测温法；红外辐射计测温法。具体测试方法，可查阅有关文献。

齿轮油膜厚度的测量
齿轮油膜厚度是指一对啮合轮齿齿侧表面之间在节线处的油膜厚度。它对齿轮承载能力有极重要的意义，因为油膜厚度不仅影响齿轮的胶合，而且影响齿轮的点蚀和传动效率。由于油膜很薄，影响因素又很多，因此油膜厚度的测定有一定困难。目前测试油膜厚度的方法有电阻法和放电电压法。具体操作方法可查有关文献。

复型法
它是利用AC纸(醋酸纤维素纸)做齿面复型，并将AC纸置于偏光镜下观察齿面微小裂纹和齿面微小损伤的一种检查齿轮损伤的技术。
为了记录运转过程中齿面或齿根损伤的发展过程，用丙酮溶液将自制的塑料薄膜(醋酸纤维素纸)贴在损伤的齿面或齿根上，这时丙酮溶液将塑料薄膜溶解成液体。该液体可渗入到齿面或齿根肉眼看不见的每一个微小裂纹或小坑中。待丙酮挥发后，被溶解液体又成为塑料薄膜；此时已将齿面或齿根上的全部形貌如实地复制在塑料薄膜上，成为复型膜。可用透射显微镜对复膜观察，既可以进行损伤的宏观分析，又可以对复型膜进行显微摄影。
用复型法可观察齿面的损伤，追踪齿根疲劳裂纹的扩展，确定点蚀面积率，检查齿面塑性变形量的大小。
复型法的优点是：不需折卸齿轮，不会损坏齿轮本体，复型后仍可运转；复型法真实度高，复型时间短，操作简便，仪器费用低，易推广。其缺点是：只能做表面复型；在温度较高时不能用复型法，须将表面冷却后方可进行。

激光全息摄影术
激光全息摄影术就是用激光作光源，把要摄的物体全部信息都记录在一块摄影感光版上。它的制作原理是，一束来自激光器产生的激光，被一面半涂银的镜子分成两束，一束光照亮被摄物体，再从物体反射到照相底板上，这一束光直接照在照相底板上，称为参考光。从被摄物体上反射回来的部分光，与后一束光一起投射到摄影感光板上，就产生了一些莫名其妙的图案，这个图案就是全息摄影图。它不但记录了被摄物体的色彩和明暗，而且记
录了被摄物体上下左右各个部分所有特征。再用同原来摄制时一样的激光去照射它时，就激发出同原来物体的光线，于是物体的形象被还原出来，在空中形成令人惊叹的立体形象。
利用激光全息摄影术，可观测到齿面和剖面极微小范围内务部分的微小裂纹和点蚀的发展过程，可观测齿面的三维形貌特征。它是研究齿轮失效机理的最精密和最准确的一种方法。利用它还可一次测出整个齿面上所有点的位移，这一优点是其它测量方法很难具备的。

铁谱分析法
铁谱分析法是利用铁谱仪从液体介质中分离、收集磨损颗粒(磨粒)并进行检测与分析的一种磨损分析技术。
利用铁谱技术，可以追踪轮齿工作过程中的磨损程度，研究轮齿磨损机理，评价润滑油的性能。
首先从齿轮箱中取出少量润滑油样。然后油样用特殊溶液稀释，以增加磨粒的流动性。再使经过稀释的油样流经磁极，磁铁在磁极处有很高的磁性梯度。当油从倾斜的底板上向下流动时，磨粒则被吸附在底板表面上。当磨粒下降时磁场增大，由于磨粒的粘性力和磁力的共同作用，使磨粒按尺寸大小分布。根据底板上的磨粒便可制成铁谱图。借助双色显微镜或电子显微镜可以观察和分析磨粒的形状、尺寸、数量和粒度，从而判别齿面磨损形式和磨粒的材料。

轮齿弯曲静强度的测试
齿轮轮齿承受次数不多的短期过载的抗弯曲能力就是轮齿的弯曲静强度。对轮齿弯曲静强度的试验与测量全过程，称为轮齿弯曲静强度的测试。试验可在通用的材料拉压试验机上进行，不过要设计一些专用夹具和压头。

轮齿抗冲击能力的测试
为了研究某种性质的材料在一定齿形参数下轮齿的冲击韧性和承受冲击载荷能力的试验与测量，称为轮齿抗冲击能力的测试。试验可在通用的材料冲击试验机上进行，不过要设计一套专用夹具和几个冲头。

齿轮疲劳强度的试验方法
齿轮疲劳强度的试验方法是指轮齿弯曲疲劳强度或齿面接触疲劳强度的试验方法。因为这两种强度决定了动力齿轮的寿命，所以这两种试验对提高齿轮承载能力，发展齿轮传动技术都是十分重要的。
齿轮疲劳(弯曲疲劳和接触疲劳)试验与一般的材料疲劳试验一样，除具有要求试件多、试验周期长、试验费昂贵等特点外，还具有试件复杂、加工精度要求高、试件准备费用大、数据离散性大等特点。因此，必须根据具体要求，用数理统计的方法合理设计齿轮的疲劳试验方案，用最少的试件、最少的费用和时间，获得可供实用的数据。
常用的齿轮疲劳强度试验方法有：少试件的σ-N曲线试验，成组试件的σ-N曲线试验，升降法测定齿轮疲劳极限值，齿轮疲劳极限应力快速测定法等。

齿轮振动的测试
研究齿轮振动动态特性的试验和测量全过程。齿轮装置的振动测试通常可分为：齿轮本体的振动测试、齿轮轴的振动测试和齿轮箱体的振动测试。齿轮振动的测试方法可分以下两种主要类型。
1)对齿轮装置中的元件(如齿轮本体、轴和箱体等)或对齿轮系统结构振动进行带负荷运转的现场测试和分析。测试的内容包括振动的强度(振级)、频谱等。测试结果的分析有助于了解被测件的振动状况和寻找振动源。
2)测定齿轮装置的结构或零件的动态特性。即对某些元件或系统按规定的条件给予强迫振动，并检查其性能。

齿轮本体的振动测试
齿轮本体的振动测试，通常分为周向振动、径向振动和轴向振动的测试。试验研究表明，当轮齿的刚度大于10倍轴的刚度时，可忽略扭振的影响。

齿轮箱体的振动测试
测试齿轮箱的振动，就是测量箱体各点的振动加速度。推荐采用压电式加速传感器。传感器安装在箱体轴承座处。箱体振动速度的测量范围应为10～10000Hz或更高。测量必须在三个正交方向上进行。三个方向中两个必须在与齿轮回转轴线相垂直的平面内，这个面最好是水平面或垂直面。传感器的数量及其安装位置取决于箱体刚性和轴的多少。
对于采用滚动轴承的齿轮装置，应采用箱体的振动测量。

齿轮轴的振动测试
在齿轮轴的振动中通常测试轴的弯曲振动，也就是测试轴的径向位移。推荐采用非接式位移传感器。因为轴的振动位移是相对箱体测量的，所以传感器尽可能安装在靠近轴承处或箱体刚度较大的部位。轴的振动应在三个相互垂直方向上进行测试，其中一个方向必须与被测轴的轴线平行。轴位移量测量的频率范围应为0～500Hz。对采用普通滑动轴承的齿轮装置，采用轴的振动测量或箱体的振动测量均可。

齿轮噪声的测试
齿轮噪声的测试一般包括声功率测试和频谱测试。声功率测试的目的是对齿轮装置噪声水平进行评价；测试声频谱的目的是为了了解噪声的成分和性质、为控制和降低齿轮装置噪声提供可靠的依据。常用齿轮噪声测试仪器有声级计、磁带记录仪和频率分析仪等。

声功率的测试
声功率是噪声测试中的一个基本量，它与测量面的形状和大小无关。这就避免用声压级由于测试面无法确定而带来的误差。目前声功率无法直接测量，齿轮装置的声功率是由声压级经过换算得到的。测试声功率所用的仪器是声级计。在测试齿轮噪声的声功率级时，要使测试面、测试距离、测试点的位置和数量选择合理。

声频谱的测试
在声频谱的测试系统框图中，频率分析仪是该系统的核心。对正常运转的齿轮装置，具有稳态宽带噪声时，可选用倍频程或1/3倍频滤波器。若噪声成分中含有较明显的可调噪声，为了寻找其原因，最好选用窄带分析仪。经过频谱分析可了解噪声源的特性及噪声源分布情况。