1、2008年全国齿轮传动润滑技术培训及研讨会资料,齿轮传动的润滑郑州大学 吴晓铃齿轮行业生产力促进中心 全国齿轮行业技术情报总网 二OO八年六月,齿轮传动的润滑,一、概述运动副之中存在摩擦，从有齿轮传动的时候起，古人就知道用动物脂肪来解决这个问题。但是在一个相当长的历史时期，摩擦、磨损和润滑的问题还没有系统化，科学化。人们在设计齿轮传动的时候，往往不考虑润滑油。而是在使用齿轮的时候才从维护设备的角度出发，选择润滑剂来润滑齿轮。因此，这种选油带有很大的盲目性。选错油、用错油的例子屡见不鲜。一直到了20世纪60年代，摩擦、磨损和润滑归纳、提升成为一门新兴的学科摩擦学。从摩擦学的观点来看，润滑剂也是一
2、种零件，相对于一般机械零件来说，它是柔性的。因此，进行齿轮传动设计的时候，就应该包括对齿轮润滑剂的设计。这是一种新的观点，是齿轮传动设计的创新。随着齿轮装置朝着大功率、高性能、小体积的方向发展，导致齿面负荷增大，散热空间减小。为了使齿轮装置达到预期的设计性能，延长寿命，齿轮的润滑就显得更加重要。润滑剂不但能降低摩擦，提高传动效率，还具有减振、降噪、散热的作用。润滑油是齿轮传动装置的血液。因此，如何进行润滑设计，怎样正确合理地选用润滑剂是本章的主要内容。,1.1 齿轮润滑的特点及润滑剂的作用 1.1.1 齿轮润滑的特点一对齿轮的运动是通过一对一对的齿面啮合运动来完成的，一对啮合齿面的相对运动又包
3、含滚动和滑动，对于传递动力的齿轮，要研究齿轮的受力和变形，需要应用力学知识，齿轮两齿面之间有润滑油，又涉及流体力学的知识，如果研究润滑剂与齿轮表面相互作用生成的表面膜，需要物理、化学方面知识。因此，在有润滑剂的条件下，要真实全面的反映齿轮传动的运动学和动力学问题都必须考虑润滑剂的存在。计入润滑剂的齿轮设计，是更加全面和完善的齿轮设计。进行齿轮润滑设计，要把握以下特点。润滑剂是齿轮传动的一个元件，因此，润滑油的物理、化学性质，例如黏度、压黏系数、黏温特性、添加剂的作用等都十分重要。齿轮传动中同时存在着滚动和滑动，滚动量和滑动量的大小因啮合位置而异，这就表明齿轮的润滑状态会随时间的改变而改变。齿轮
4、的接触压力非常高，例如轧钢机的主轴承比压一般为20MPa，而轧钢机减速器齿轮比压一般达到5001000MPa。,与滑动轴承相比，渐开线齿轮的诱导曲率小，因此形成油楔条件差。齿轮的材料性质，尤其是表面粗糙度、表面硬度等对齿轮的润滑状态影响很大。齿轮传动的润滑方式，对润滑效果有直接影响，必须加以重视。齿轮的几种主要失效形式，例如点蚀、胶合、磨损等都和润滑剂有着重要关系。 1.1.2 齿轮润滑剂的作用及应具备的性质常见润滑剂有润滑油、润滑脂。此外还有固体、气体润滑剂。水也是一种润滑剂，但由于它对金属有腐蚀作用，不适合作为金属齿轮的润滑剂。由于润滑油的应用最为广泛，所以本章的润滑设计主要讨论应用齿轮润
5、滑油的润滑设计。（1）齿轮润滑剂的作用减少摩擦 如果两齿面被润滑剂流体膜隔开，则避免了金属与金属的直接接触，把干摩擦变成了液体摩擦。或者由于形成了物理、化学吸附膜减少摩擦，避免齿轮点蚀和胶合的发生。,散热 润滑油可以把啮合产生的热量带走，避免温度计过高引起的胶合等齿面损伤的发生。防锈 润滑剂覆盖了齿轮和其他零件表面，隔绝了空气，避免了齿轮的氧化锈蚀。降低振动冲击和噪声 由于润滑剂的黏滞性，能起到降低齿轮振动、冲击和噪声的作用。排除污物 润滑油能冲刷齿面上的磨粒和杂质，带走油池或润滑系统中的污物，保证齿面的清洁，减少磨损。（2）齿轮润滑剂应具备的主要性质齿轮润滑剂要起到上述作用，需具备以下性质。
6、具有合适的黏度与流动性，以适用于不同的工况条件。具有良好的抗磨性，以保持一定的承载能力。具有良好的氧化安定性，使油不氧化，不变黏，不变质，不堵塞油路。抗乳化性。在有水部位工作的齿轮，要求使用抗乳化性、油水分离性好的润滑油。因为润滑油中的极压添加剂，基础油中的极性物质或油中的氧化物都是表面活性物质，当水混入油中时，上述表面活性物质起乳化作用。,抗泡性。良好的抗泡性能使混入油中的空气顺利地逸出，否则，油中的气泡使摩擦表面供油不足导致磨损或胶合。在循环润滑系统中，抗泡性差的油会引起油的流量减少，降低散热效果。防锈性。防锈性主要是具有保护齿轮齿面不生锈的性能。抗腐蚀性。润滑剂的腐蚀性主要来源于油中的酸
7、性物质，这些物质对金属具有腐蚀性。所以齿轮润滑剂应具有良好的抗腐蚀性。无毒性。润滑剂应对人体无害，保障操作人员的安全。 1.2 齿轮的润滑状态 1.2.1 油膜比厚摩擦学中常用油膜比厚的概念来描述润滑状态。油膜比厚是齿面之间的最小油膜厚度与两齿面综合粗糙度之比。其数学表达式为,（1）,式中 油膜比厚；hmin最小油膜厚度；1，2小齿轮和大齿轮的表面粗糙度。油膜厚度与油品本身的性质、齿轮的几何形状、负荷、速度、材料、工作条件等有关。油膜比厚越大，润滑剂分离两个啮合齿面的趋势就越强。 1.2.2 齿轮的润滑状态近百年以来，许多学者研究用油膜比厚来区分润滑状态，得到图1所示的润滑状态图。在有润滑剂润
8、滑的条件下，根据图1，齿轮传动具有以下三种润滑状态。,图1 润滑状态图,（1）边界润滑当1，齿轮传动处于边界润滑状态，齿轮齿面有表面粗糙峰相接触的情况发生。在边界润滑状态下，润滑油的黏度不起作用，靠添加剂与齿面形成的物理吸附膜或化学反应膜来保护齿面。（2）混合润滑当13，齿轮传动处于混合润滑状态。在混合润滑状态下，摩擦力由粗糙峰和润滑油内部的摩擦力两部分构成，齿面负荷由油膜和齿面粗糙峰共同承担。润滑油中需要少量的极压添加剂。（3）全膜润滑当3，齿轮传动处于全膜润膜状态（弹流润滑、液体动压润滑）。在全膜润滑状态下，润滑油膜的厚度远远大于表面粗糙度，两运动表面完全被连续的油膜所隔开。因此润滑剂的黏
9、度起主导作用，不需要添加剂。当计入齿轮的弹性变形时，全膜齿轮润滑状态即成为弹性流体动力润滑，其理论分析是英国著名学者D.Downson完成的。该理论考虑了物体的弹性变形和润滑油在高压下黏度的变化，先用计算机获得了数值解，进而导出了如下的经验公式,（2）,式中 润滑油的压黏系数，m2/N；0润滑油的动力黏度，Pas；E综合弹性模量，MPa；W 单位齿宽上的载荷，N/mm；12两个滚子的相对曲率半径，mm；v 卷吸速度，v=(v1+v2)/2；v1，v2两接触体的圆周速度，m/s。对于齿轮传动而言，在整个啮合过程中，曲率半径和卷吸速度等随时间变化，因此各接触点的油膜厚度都不一样。作者导出了整个齿轮
10、啮合过程中油膜厚度的计算式，得出以下结论：沿啮合线，相对曲率半径呈抛物线规律变化；沿啮合线，卷吸速度呈线性规律变化；在理论啮合线的特征点处，最小油膜厚度有理论上的最大值（hmax） 0,1.3 润滑对齿轮传动的影响及其策略 1.3.1 润滑剂是齿轮设计的重要参数齿轮润滑剂对齿轮传动的影响主要表现在摩擦、磨损、胶合性能、振动、噪声水平、齿轮箱热平衡性能等诸多方面。因此，在进行齿轮设计时不能忽略润滑剂这一重要参数。润滑对齿轮传动失效的影响，见表1。,从润滑角度防止齿轮失效的对策，见表2。,1.3.2 齿轮润滑的策略齿轮润滑油的正确选用 尽量采用国内外先进标准或者按设备制造商的推荐选用。例如：JB/
11、T 8831-2001 工业闭式齿轮的润滑油选用方法；,AGMA 250.04 工业闭式齿轮传动的润滑；DIN 51509 第一部分，齿轮润滑剂的选择。产品购买 购买质量信誉有保证的厂家的润滑剂产品。对于不同类型的齿轮选择合理的润滑方式 对于低速齿轮一般采用油池润滑；对于高速齿轮一般采用喷油润滑。采用润滑油监测技术 采用铁谱、光谱等技术监测、分析油样中的磨粒信息，包括形状、颜色、尺寸、含量等。利用此信息诊断齿轮运动的“健康”状况。 1.3.3 润滑对齿轮传动的影响对于齿轮传动装置来说，润滑无疑具有十分重要的意义，除了可以降低摩擦、减少磨损之外，还可起到散热、防锈、减震降噪等作用，润滑可以提高产
12、品质量、降低生产成本，提高生产效率和产品精度，延长设备使用寿命和保障生产安全等。 齿轮润滑剂对齿轮传动的影响主要表现在摩擦、磨损、胶合性能、点蚀、振动、噪声水平、齿轮箱热平衡性能等诸多方面。因此，在进行齿轮设计时不能忽略润滑剂这一重要参数。润滑对齿轮传动失效的影响见表3。,1.3.4 润滑对齿面胶合的影响国家标准GB6413-1986渐开线圆柱齿轮胶合承载能力计算方法给出了由于载荷和滑动速度引起的齿面高温导致润滑油膜破裂所造成的胶合损伤的计算方法和标准规范。该标准采用积分温度法，即以齿面本体温度与加权后的各啮合点瞬时温升的积分平均值之和作为计算齿面温度，然后与发生胶合时的试验结果或统计结果在同
13、条件下确定出的齿面温度相比较来评定设计齿轮的胶合承载能力。胶合计算安全系数SB必须大于或等于胶合承载能力最小安全系数SBmin，即：,式中 SB 胶合承载能力的计算安全系数；SBmin 胶合承载能力的最小安全系数，可参照表5选取；sint 齿面出现胶合失效时的极限积分温度。通常是根据试验结果得出的。试验证明，对一种“油-材料”组合，sint为常数，不随运转条件改变。其计算式为sint=MT+1.5wflaintT，；,MT 试验齿轮的本体温度，； flaintT 试验齿轮的积分平均温升，； w 材料焊合系数； int 齿面积分温度，。其计算式为：int=M+1.5flaintM 即将进入啮合时
14、的齿面温度。M可用任何适宜的精确方法（如热网络法、精确测量等）来确定，；M=（oil+0.7flaint）XS oil 润滑油的工作温度，；flaintT 齿面积分平均温升，是指齿面各啮合点瞬时温升fla沿啮合线的积分平均值。XS 润滑系数，是考虑润滑方式对传热的影响，由试验得出；油浴润滑时：XS=1.0；喷油润滑时：XS=1.2。当油品的承载能力是按照GB/T3142-1982润滑剂承载能力测定法的FZG（A/8.3/90）试验得出时，则试验齿轮的本体温度MT和积分平均温升flaintT与载荷的关系曲线如图2所示。此时，MT和flaintT的值可根据设计齿轮所选用润滑油的黏度和FZG胶合载荷
15、级由图2查取,图2 FZG（A/8.3/90）试验齿轮的本体温度MT和积分平均温升flaintT,润滑油的FZG胶合载荷级作为油品的性能标准，由油品的生产厂家提供。常用油品的FZG胶合载荷级见表6。,影响齿面胶合的因素很多，但润滑对于胶合起着极大的作用，下面仅就润滑对胶合的影响进行分析。（1）润滑油黏度对胶合的影响齿轮胶合极限负荷随着润滑油黏度的提高而提高。日本的会田俊夫等学者为此进行了专门的试验研究。表7为其试验研究结果。,润滑油靠粘性抗胶合的机理是：当轮齿迅速接触时，由于润滑油的粘性来不及将油挤掉，而形成所谓“流体静力挤压油膜”以抵抗齿面的靠近，这种作用在滚动接触时更易出现。这时与齿面接触
16、的第一层油液是不动的或称之为有较大的粘性。吸附层越厚，其润滑效果越好。 在某种情况下，轮齿在一定负荷下接触时，其润滑油的弹性可能占主导地位，即以弹性抵抗其变形，这就是通常所说的“松弛作用”。在滚动接触的情况下，流体动力油膜能够维持在两接触表面之间，就是这种润滑机理作用的结果。在 “松弛” 现,象中，时间要素是很重要的。在给定时间内，物质显示的粘滞性和弹性随“松弛”作用的大小而定。如果润滑剂承受最大负荷的时间小于或等于临界“松弛”时间，则润滑剂将以弹性而不是粘性工作，这时油膜将不被挤出，从而防止了金属之间的直接接触，也即防止了胶合。从以上的叙述也可以说明齿面间的流体油膜实际能承担的负荷为什么比按
17、常规计算得的结果要高得多。另外，还必须考虑到润滑油在承受压力的情况下黏度的变化，润滑油的黏度随着压力的增加而明显增加，润滑油的这种压力-黏度特性对其负荷能力可能产生很大的影响。例如有人曾把几对齿轮加载运转到齿轮发生疲劳点蚀，然而却无润滑油失效的迹象，这时齿面的应力为1750N/mm2，而油的黏度为40赛氏秒（37.8）。其次，润滑油的粘弹性对于具有冲击负荷的齿轮传动能起缓冲作用。例如，对于汽车后桥双曲线齿轮，冲击负荷约为2800N/mm2，在这巨大的冲击下，润滑油的黏度在抗胶合的因素中也是必不可少的。（2）润滑油添加剂对齿面胶合的影响齿轮油的极压性是指齿轮油中的添加剂（极压抗磨剂）在极高压力、
18、很高速度和高温下能在齿面上与金属发生化学反应生成无机膜，减缓齿面磨损和防止齿面胶合的能力。,强极压条件是在重载荷或冲击载荷等情况下形成的，如汽车后桥的准双曲面齿轮，它传递的压力达数十亿Pa，而且齿面间的滑动速度很大，因而形成很高的瞬时温度（600800）。一般油性添加剂在100左右就会从摩擦表面脱附，不能形成油膜。只有含氯、磷、硫等活性元素的物质，才能在较高温度下与金属齿面生成无机保护膜。这些活性元素可以单个地合成油溶性有机物，然后将几个含不同活性元素的有机物加入油中，也可以将两个以上的活性元素加入同一油溶性有机物中。前者如氯化石蜡、三甲苯基磷酸酯、二苯甲基二硫化物或者在个别情况下直接用元素硫
19、。后者如硫氯化油脂、氯磷化物、硫代磷酸酯等。除了氯、磷、硫三种元素的有机物外，金属铅的有机物如环烷酸铅、油酸铅等也可作极压抗磨剂。由于铅会污染环境，故采用铅有机物作极压抗磨剂的已日益减少。近年来出现了硼酸盐及有机聚合物膜新型添加剂，从初步试验结果来看，是有发展前途的极压抗磨剂。各种极压抗磨剂都具有自身的特点。一般地说，含磷极压抗磨剂在条件不太苛刻、运转稳定的情况下较为有效。含氯，特别是含硫的极压抗磨剂，在包括有冲击负荷的苛刻条件下比较有效。氯化物约在200开始起作用，超过300摩擦,表面生成的氯化铁膜会破裂失效，而硫化铁膜的润滑作用可以一直持续到 850。为使齿轮油具备适应各种工作条件的极压性
20、能，因此，在油中加入了多种抗磨剂或含多种活性元素的极压抗磨剂。例如有一种双曲面齿轮油含有氯化石蜡5%，二烷基二硫代磷酸锌3%，烷基萘1%。近年来开始用碱性硼酸盐微球作为齿轮油的极压添加剂。由于微球不但很小（平均直径仅约0.1m），而且密度也较小，所以能很好地分散在油中，不会在储存中沉降下来。含有硼酸盐添加剂的齿轮油，在使用中硼酸盐与铁的表面作用，形成一弹性良好的薄膜，因而使润滑油的承载能力大为提高。在梯姆肯试验机上所得的结果表明，含硼酸盐添加剂的润滑油，试验时通过的最大压力比含铅剂的润滑油大2倍，比含S-P剂的润滑油大1倍。行车试验的结果表明，卡车的分动器中使用含硼酸盐的齿轮油时，可以满意地工
21、作到250000Km。经行车试验后的润滑油未发现受到氧化和出现磨损颗粒等情形。关于极压添加剂的作用是比较复杂的，尚未能找到一普遍的指导原则来预计其可能提高的承载能力。但可以肯定的是，极压性能中等的齿轮油（如加环烷酸铅的）其承载能力比基础油提高13倍。极压性强的齿轮油（含氯、硫、锌等元素）其承载能力可提高到约9倍。,（3）供油量和润滑方式对齿面胶合的影响供油量充足可以提高胶合极限负荷，但油量多到一定程度，胶合极限负荷不再提高。喷油润滑比油浴润滑的冷却效果好。但对于喷油位置目前还有争论。就降低温升的效果来说，有人认为油喷到啮出侧为好。例如阿尔门（ALMEN）和尼曼（NIEMANN）的试验结果就是这
22、样的。但也有人认为油喷到啮入侧为好。例如松永铁藏和博索弗（Borsoff）的试验结果就是这样的。但目前多数人的意见是，对于高速齿轮传动，为了得到良好的冷却效果，推荐把油供到啮出侧。（4）齿轮材料及热处理方式对齿面胶合的影响齿轮材料对其抗胶合的影响甚大，这里仅从齿轮材料及热处理方式对其润滑的作用方面进行讨论。大家都知道含镍钢易发生胶合，而高速工具钢及白口铁抵抗胶合的能力较大。氮化齿轮较渗碳淬火齿轮有较高的抗胶合能力。这除了与材料的热硬性有关外，还与油对不同的钢种的附着能力有关。由试验得知油对钢的附着能力与含铬、含镍及,含钨高碳钢的关系是：加钨量越多则抵抗胶合的能力越大，加铬的效果先是与加钨相同，
23、但含铬量达到 原子量的百分比后，就几乎完全不发生效应。加镍的效果总是降低对胶合的抵抗性。对于制造铜蜗轮的不同材料的分析如下：用含锡12%的磷青铜制造的蜗轮抗胶合的效果最好，但其抗点蚀的能力较差，弯曲强度也略低，因此在低速大扭矩的蜗轮传动中都采用铝青铜。该种材料也较经济，但铝青铜的缺点是易受胶合的损伤，甚至在跑合很久后仍然如此。其原因之一就是由于其表面上覆盖的一层薄而脆的氧化铝，它虽然可以保护齿面不受侵蚀，但它不能与润滑油形成稳定的有机衍生物，因而与锡相比不易润滑。因此对于铝青铜的蜗轮传动最好的办法是用黏度较大的油来发挥流体动力润滑的作用，而不依赖于边界润滑的作用。在计算齿轮胶合承载能力时，材料
24、焊合系数Xw是考虑设计齿轮与试验齿轮的材料及表面处理不同而引入的修正系数，它是一个相对的比值，由不同材料及表面处理的试验齿轮与标准试验齿轮进行对比试验得出，其值由表8查取。,1.3.5 润滑对齿面磨损的影响磨损是摩擦的必然结果，由于齿面的相互摩擦，不断的有微粒脱落，而使表面尺寸、几何形状和其它性质发生改变。在完全的流体润滑状态时，齿面不会发生磨损。,在闭式齿轮传动中，如果润滑油保持干净，则齿面磨损不显著。如果工作环境（如农业机械、工程机械和矿山机械等），粉尘多，且易进入齿轮啮合区，则会造成磨粒磨损，磨损速度较快。开式齿轮传动则更为典型。这种情况下磨损往往成为齿轮传动失效的主要形式。轮齿的齿形不
25、同，表面滑动速度状况也不相同。例如，圆弧齿轮因齿面各点的滑动速度在理论上大致相同，故沿其齿面的磨损基本上是均匀的。渐开线齿轮因其齿面上的滑动速度大小及方向都是变化的，所以齿面的磨损状况也是变化的。渐开线齿轮在初期磨损阶段，齿面磨损量的分布，基本上符合滑动速度的大小和方向。进入正常磨损阶段后，对于铸铁，则齿面的磨损趋于均匀化。而对于软钢，因传动多种因素的影响（如齿面塑性变形的影响），磨损分布出现特异情况，即滑动速度大的地方磨损量不一定是最大。小齿轮在节圆附近的磨损量最大，其次是齿顶高的部位，齿根部位的磨损不大。大齿轮也是在节圆附近和齿顶高的部位磨损较大，齿根部位磨损较小，在节圆附近出现凸起。,（
26、1）润滑油对齿轮磨损的影响磨损是由摩擦所致，除保持润滑油清洁外，减少齿面金属的直接接触，就可有效地减少磨损。提高润滑油黏度和油性都能减少磨损，加入某些极压抗磨添加剂对减少齿面磨损能起到极好的作用。如果润滑油中混入泥沙、灰渣等其它磨料或齿轮经初期跑合后没及时更换润滑油，都会产生磨粒磨损，加快齿面的磨损。齿轮润滑油对磨粒磨损不存在改善作用，但齿轮油可以把外来的磨损颗粒从齿面的啮合区域内洗除。然而，如果磨损微粒不能沉淀，那么将继续起研磨剂的作用。因此，要求将润滑油的黏度降低一些，对洗除齿面上磨损颗粒的效果较好，同时可将较大的外来磨损颗粒沉淀在油速低的区域里，使其变得无害。此外，对于磨粒性磨损最好的改
27、善方法是排除陈旧污染的润滑油，冲洗齿轮箱，然后换以清洁的润滑油。其次，在润滑油的循环系统中配备滤清器。同时保证在润滑油的储存系统中有适当的沉淀时间，把磨损颗粒过滤和沉降出来。在汽车等某些齿轮箱中，可配备磁化的放油塞，以清除钢铁微粒等物质。,在弹性流体动压润滑及液体动压润滑的范围内，黏度是润滑油最重要的性质。一般地说，齿轮油的黏度愈大，防止齿面遭受各种损坏的保护能力愈强。因为黏度增大有利于油膜厚度的增加，即润滑油的黏度愈大，齿轮的磨损愈小。在齿面负荷不太大的情况下，黏度较大的润滑油可使齿面磨损控制在一定的水平上。当然黏度控制磨损的程度也是有一定范围的，当齿面负荷超过一定极限后，磨损迅速增大，并在
28、齿面上出现擦伤等现象，这说明所加的负荷已超过了润滑油的承载能力。此时，就需要在润滑油中加入极压抗磨添加剂，在极高压力和高温下在齿面上与金属发生化学反应生成无机膜，减缓齿面磨损和擦伤的能力。润滑油黏度增大能降低齿面磨损的这种特点，吸引了一些人去寻找二者之间的定量关系。如布洛克（Blok）研究了冲击载荷下，润滑油的黏度和化学组成对齿轮磨损的影响。他采用了硬度较低的齿轮（HRC=28及33）和黏度从12170mm2/s的一系列润滑油进行试验，试验结果证明随着黏度的增大，齿面的磨损降低，并得出了以下方程式表示的关系。 W=C/v1.45 （6）,式中 W 磨损后齿轮的失重；v 70时润滑油的黏度；C
29、常数，是齿轮及润滑油工作条件的特性参数。例如硬度HRC=28的齿轮， 其磨损量就比HRC=33的大3倍。由于各种齿轮传动装置的齿轮类型、材质、机械性能、工作条件等的不同，常数C也就各不相同，上述公式已失去其普遍意义，只能表示特定条件下润滑油黏度与齿轮磨损的关系。根据布洛克的试验，在冲击载荷下，润滑油的化学组成对齿轮的磨损无影响。即使是加有各种抗磨添加剂的润滑油，比起同黏度的纯矿物油来说，也没有什么优越性。由此试验结果可以认为，在冲击载荷下，减少齿轮磨损主要靠润滑油的缓冲作用，而润滑油的这种缓冲作用仅取决于黏度。润滑油的缓冲性能差，未必能用加添加剂的办法得到补偿。由此可以看出润滑油黏度对齿轮传动
30、装置的重要意义。布洛克还提出过“临界擦伤温度”的概念。用纯矿物油润滑的齿轮表面由于操作条件的变化温度升高，当瞬时温度超过一定值后，表面间的油膜破裂，齿面就会擦伤，齿面出现擦伤前的最高温度值称为临界擦伤温度。临界擦伤温度与润滑油的性,质和齿轮材料有关。对于纯烷基矿物油及IAE齿轮试验机、FZG齿轮试验机所用的齿轮来说，临界擦伤温度见表9。,也就是说润滑油的黏度愈大，齿面愈不易擦伤。 齿轮油的黏度大，能提高承载能力，减少齿轮的磨损。但是，在实际工作中使用高黏度润滑油是受到齿轮传动装置的工作环境及工作条件限制的。对于一些在室外工作的齿轮传动装置，还要求能在较低温度下起动自如，黏度大的油在低,温下不易
31、启动。另外，润滑油的黏度过大，在高速搅动下，摩擦损失大，而且摩擦产生的热量多，不易散出，会使油温升高。因此，对一定的齿轮传动装置来说，润滑油的黏度应该多大要根据工作环境、工作条件等全面考虑。（2）腐蚀剂对齿轮磨损的影响当润滑油或添加剂劣化变质而产生酸性物质时，或油中混水及其它腐蚀剂时，齿面会发生各种不同的锈蚀或孔蚀现象，造成所谓腐蚀性磨损。另外，如果油中的极压添加剂过于活泼，在齿面上产生的薄膜不但起不到承压膜的作用，反而在摩擦的作用下不断的脱落新生，这实际上就加速了齿面的磨损。这种现象往往用于减速器的初期跑合，而对长期使用来说是不允许产生的。因此，在润滑油中一定要控制腐蚀介质，如采用化学添加剂
32、时一定要掌握其成分和含量；润滑油中添加适当的阻蚀剂以降低电极反应速率；不使水、酸等有害物质进入润滑油中；在达到规定的使用期时一定要及时更换润滑油。 1.3.6 润滑对齿面疲劳点蚀的影响表面疲劳是当反复作用在表面或者表层的应力超过材料的耐久极限时的材料的损伤。其特征是金属脱落并形成凹坑。这些凹坑可能是收敛的，或许是扩展的，也许初始就很大。,初始疲劳裂纹，是在表面还是在表层产生，取决于应力分布和材料表层硬度分布和物理特性。对于硬度175HB400HB的钢，初始疲劳裂纹产生在表面，然后一次裂纹由于剪应力向里扩展，继而由于拉应力形成二次裂纹向外扩展，最终形成点蚀。对于表面硬化钢齿轮，初始裂纹产生的位置
33、取决于从表面到某一深度内最大剪应力与材料强度极限之比，裂纹产生在材料强度最薄弱处。对于合理的热处理方法，表层硬度不会出现明显的突变。另一方面，混合润滑状态下，最大剪切应力在表面。因此，疲劳裂纹可能萌生于表面，最后形成点蚀，而不产生剥落。无论疲劳裂纹萌生于表面还是表层，它都与表面摩擦牵拽力密切相关。随着摩擦系数增大，材料中的最大剪应力增大，且其位置移向表面。不同种类的润滑油的摩擦特性是不同的。润滑油的极压性能和流变性能强烈影响摩擦力。实际轮齿在工作时，齿面间形成表面膜，包括部分EHL膜、油性吸附膜和化学反应膜。其摩擦系数与干摩擦的和流体润滑的不同。各种表面膜的形态和表面覆盖率对齿面平均摩擦系数和
34、瞬时局部摩擦系数有强烈影响。因此，正确估计边界润滑和混合润滑状态下的摩擦系数，对分析齿面接触应力分布、疲劳裂纹的萌生与扩展，合理选择和配制润滑油都非常有益。,齿轮传动的平均摩擦系数正常情况下小于0.18，通常在设计计算中简易估算为0.06。按此值估计最大剪应力，最大危险点仍在齿轮轮齿的表层。那么为什么材料的疲劳裂纹萌生于表面呢？最常见的解释是表面的缺陷比表层的多，所以在表面薄弱环节首先破坏。实际上是表面凸峰接触、碰撞和摩擦造成瞬时局部摩擦力增大，局部摩擦为边界润滑或者干摩擦，齿面摩擦系数超过0.18。则最大剪切应力在微凸体峰上。因此，疲劳裂纹首先萌生于表面微凸体的凸峰附近。在混合润滑状态下，凸
35、峰接触处的高剪应力致使软齿面的表面材料发生范性形变，而对于硬齿面，微凸体附近将产生垂直于运动方向的横向裂纹。但是，这种局部高剪应力，在有润滑剂润滑时，常常被忽视。这是由于目前无法测出瞬时局部摩擦力，能测量的是平均摩擦力。瞬时局部摩擦力以一定的比例与油膜剪切力同时测量。尽管凸峰接触处产生高剪应力，平均摩擦系数的测量值仍然不发生突变。因此，在估计齿面摩擦力时，不仅要估计平均摩擦系数，而且要估计瞬时局部的摩擦系数及其影响因素，即摩擦机理分析。,表面接触强度最弱的环节是微凸体峰附近，因而初始裂纹萌生于微凸体附近。形成点蚀的表面裂纹是由微凸体处萌生的裂纹源毗邻相互连接的结果。这种裂纹的萌生与扩展与润滑剂
36、的物理特性和化学特性密切相关。选择高黏度指数和高极压性能的润滑油可以延缓初始疲劳裂纹在表面萌生。另外，在润滑剂中加入减摩剂，将直接降低微凸体的摩擦，能有效地延缓裂纹的萌生。表面疲劳寿命的影响因素很多，如工作环境包括了齿面应力、温度和腐蚀等。评价润滑油和添加剂对其影响，最有效的方法还是通过接触疲劳试验。所有通过摩擦机理分析所采取的措施都必须经接触疲劳试验检验。表10为一组齿轮润滑油在JP-BD1500型滚动接触疲劳试验机上进行的齿轮点蚀失效试验结果。试件是45钢，调质处理，表面硬度为250280HB，表面粗糙度Ra=0.8m。,（1）润滑油的黏度对齿轮抗点蚀能力的影响表10中的中负荷工业齿轮油，
37、黏度等级为N220、N320和N460的疲劳寿命相对值分别为1、1.036和1.072。结果表明，极压添加剂类型相同，极压水平相同时，试,验润滑油的黏度等级对齿轮抗点蚀能力影响不大，黏度等级高的油其抗点蚀能力略微大一点。其主要原因是高黏度油品在100时的黏度差别不大，本接触疲劳试验的本体温度按理论计算约为85。但是，另有试验结果证明，黏度等级N100以下的润滑油，随黏度下降，齿轮抗点蚀能力明显降低。其主要原因是N100以下黏度在100时的黏度差别较大。润滑油在本体温度下的黏度，影响EHL润滑的膜厚比，从而影响微凸体的接触概率和瞬时局部摩擦力。规定的润滑油黏度等级的黏度值通常与本体温度下的黏度不
38、同。如果用黏度等级划分油的抗点蚀能力，N150以上的润滑油的抗点蚀能力差别不大。从低粘化角度考虑，黏度等级为N150的油可以代替N220到N460的油。研究接触疲劳裂纹扩展的试验结果也表明，在相同的工作条件下，黏度高有利于油膜的建立，即油膜的厚度大，油品的黏度高，齿面接触部分的应力愈均匀化，并缓和冲击，从而相对地降低了齿面最大接触应力值；同时，高黏度油对裂纹的渗入和扩展作用，不如稀油积极活泼。随着齿面压力的增高或齿面滑动速度造成润滑条件的不利，齿面逐步趋近于边界润滑状态。这时润滑油的黏度已不起主要作用。为了提高齿轮的抗点蚀能力，降低摩擦系数，提高边界润滑油膜的强度，需要在齿轮油中加入适量的油性
39、剂及极压抗磨剂。这里注意的是，对于蜗轮传动，加入极压剂有时反而对抗点蚀不利。,从表10中可以看出，N220黏度等级的纯矿物油、中负荷和重负荷齿轮油的点蚀失效相对值分别为1、1.49和1.23。试验结果表明含极压添加剂的润滑油的抗点蚀能力都比纯矿物油高。但是，重负荷工业齿轮油与中负荷工业齿轮油相比，前者接触疲劳寿命较低。这可能是齿面微凸体上反应膜覆盖面积太大引起激烈的腐蚀磨损，以致使材料的耐久极限降低。润滑油极压水平是根据抗胶合承载能力而确定的，并不意味着其抗点蚀能力也很高。因此，重负荷工业齿轮油中的极压添加剂不仅要考虑添加量，而且要注意添加剂的复配。添加剂类型最好是既能减少微凸体接触的摩擦力，
40、又不会引起较激烈的腐蚀。（2）润滑油中减摩剂对抗点蚀能力的影响黏度等级N220中负荷工业齿轮油加入0.3%的含氮减摩剂，其点蚀失效循环次数增加12%。试验结果表明减摩剂能有效地提高抗点蚀能力，这也进一步证实表面摩擦力是影响接触疲劳寿命的主要因素。含减摩剂的润滑油之所以显著影响抗点蚀承载能力，是因为减摩剂分子牢固地吸附在金属表面，形成几个分子层厚的吸附膜，降低了微凸体接触的边界摩擦。,（3）基础油分子结构对抗点蚀能力的影响 从表10可以看出，其它条件相同，分子结构不同的石蜡基N32节能齿轮油和环烷基N46节能齿轮油的点蚀失效相对值分别为1.29和1.22。试验结果表明石蜡基油的疲劳寿命比环烷基油
41、的疲劳寿命高。尽管N46黏度等级相对较高，但其抗点蚀能力相对低一些，这说明不同润滑油基础油分子结构，在表面将形成不同的吸附膜。另有试验结果证明石蜡基油的基础油、中负荷和重负荷工业齿轮油的平均摩擦系数都分别小于环烷基的基础油、中负荷和重负荷工业齿轮油的平均摩擦系数。（4）滑动摩擦力对抗点蚀能力的影响从表10可以看出，N32节能油在纯滚动条件下和滑动差为10%的条件下的点蚀失效相对值分别为2.29和1.29。这主要是由于滑动摩擦力的影响。在纯滚动条件下，最大剪应力在0.786b处，初始裂纹在表层产生，表面裂纹相对产生的晚，润滑油对疲劳裂纹扩展影响小。在有滑动摩擦情况下，最大剪应力增大并向表面移动，
42、表面初始裂纹形成的早，并且裂纹在摩擦力作用和润滑油的作用下扩展的相对较快。,（5）润滑方式对抗点蚀能力的影响供油方式与供油量对齿轮的抗点蚀能力有影响，有人做过试验，将油浴法与喷油法进行对比试验，油浴法是将大齿轮浸在油里（齿高为7mm），浸油深为20mm，试验结果是：在同样转动方向的情况下（对于小模数及低功率传动），喷油法的抗点蚀能力比油浴法小11%。当供油方向与啮合方向同向时，即啮入方向供油要比啮出方向供油的抗点蚀能力小（油浴法小8%，喷油法小20%左右）。用节流阀调节喷油量，也发现供油量愈大愈易点蚀。关于供油量，有人认为供油量愈充分则愈容易出现点蚀。但要说明，这仅是从产生点蚀的观点出发的。而
43、从防止齿面磨损与胶合的方面出发，则供油量愈充分愈好。（6）腐蚀性对抗点蚀能力的影响 如果润滑油混有腐蚀物质，或本身就具有严重的腐蚀性，则在循环应力的作用下，材料的疲劳强度是非常低的。对轴承的试验结果表明，有严重锈蚀的接触疲劳寿命仅为无锈蚀的 。,在腐蚀介质的作用下，譬如润滑油里含有水，则活性的氧原子将使金属齿面发生锈蚀，引起应力集中，锈蚀处就成为裂纹的发源地。另外，在腐蚀介质的作用下裂纹的发展是迅速的，因为在腐蚀性介质作用下的材料没有疲劳极限（即S-N曲线无水平段），疲劳强度随循环次数持续下降。在腐蚀介质的作用下，材料性能的优越性不能发挥。材料的疲劳强度与抗拉强度成正比，如果有腐蚀的作用，则抗
44、拉强度对疲劳强度无效。油中的气泡对点蚀也有影响，在齿轮传动中，由于气泡的空化作用，也会加速小金属块的脱落。在分析润滑油对齿轮点蚀的影响时，必须从油的黏度、添加剂的性能（油性、极压性、氧化安定性、抗乳化性、抗腐蚀性、防锈性）等综合考虑。油性剂、极压剂对于提高边界油膜强度、防止齿面干摩擦、降低摩擦系数有利，从而可以提高抗点蚀能力，但选用不当（如有腐蚀性）反而更坏。提高油的黏度虽可以提高抗点蚀寿命，但也是有条件的。这里必须考虑到油性，因为油性好，黏度低的油在某种情况下可能比油性差、黏度高的油抗点蚀能力更好。,1.3.7 润滑对齿轮振动、噪声的影响齿轮的噪音分为两大类，一类叫运转噪音，是由齿轮的振动、
45、摩擦产生；另一类叫流体噪音，是由于润滑油从齿面挤出与空气发生紊流而产生所谓紊流噪音。此外由于油的搅拌和飞溅箱壁也造成噪音。润滑对上述两方面的噪音都有影响。（1）润滑油黏度和供油量的影响齿轮在无油状态下运转噪音大。譬如，齿轮在有润滑状态下运转时，突然切断润滑油供应，则运转噪音明显增大。如在润滑状态下继续增加供油量（增加油面高度），运转噪音无明显变化。有关试验证明：齿轮传动的振动、噪音都是随着润滑油黏度的增加而减少。润滑油的黏度从6mm2/s（50）增加到230mm2/s（50），则运转噪音相差14分贝，平均下降2分贝；这是由于随着润滑油黏度的增加，齿面间形成的油膜厚度增大，使齿轮的综合误差对啮合
46、的影响得到缓和，也就是油膜对齿轮的综合误差能起到补偿作用，油膜厚度越厚，这种补偿作用越强。另外，随着润滑油黏度的增加，齿面间阻尼增大，对振动、噪声的衰减作用增强，同时齿面间的油膜厚,度的变化，也影响轮齿的啮合刚度。但是在润滑油黏度相差值较小时其对齿轮传动振动、噪声影响不明显，如润滑油黏度从50mm2/s增加到100mm2/s时，则运转噪音几乎没有什么变化。润滑油中加入极压剂和减摩剂对齿轮传动的振动、噪声有降低作用，但效果不明显。也就是说不同品种的润滑油对齿轮振动、噪声一般无明显影响。汽车后桥双曲线齿轮，使用双曲线齿轮油比用一般齿轮油的噪音小。（2）润滑方法的影响如果保证齿面间存在足够的油量，则
47、由于润滑油的衰减系数的增大及油膜的缓冲作用，齿轮的振动、运转噪音得到改善。有关试验证明：离心润滑法（连续冲离冷却）比从啮出侧喷油法润滑油的衰减系数大幅度增加。由于润滑不当造成齿面的损伤、齿形变化，此时运转噪音会非常大。 综上所述可以看出，润滑油本身（黏度、品种）和供油量对噪音的影响是不显著的，而由于润滑不当造成齿面损伤所产生的运转噪音是非常大的。 1.3.8 润滑对齿轮传动效率的影响齿轮传动功率的损失，一是由于齿面的摩擦造成，二是由于搅拌油所造成。,金属间的摩擦将产生热量，并引起动力的损耗。当然，损耗的大小要依润滑条件而定，在流体动力润滑条件下，金属间的摩擦几乎为零。在边界润滑条件下，润滑剂可
48、以靠油性剂及极压添加剂的作用在金属间形成一层薄膜，部分地充填金属的沟纹，防止或减少金属表面的直接接触，从而提高了齿轮传递的效率。齿轮处于流体润滑下工作是最为理想的，这时齿轮的啮合效率几乎为100%；在边界润滑状态下，通过测定与计算，它的摩擦系数f=0.09，效率98.84%；在混合润滑状态下f=0.050.07，其效率=99.34%99.08%，看来在轮齿未出现胶合之前齿面摩擦造成的啮合效率的变化是不大的。由于搅油造成的功率损失，与供油方法及黏度有关。有关试验表明：在油浴润滑条件下，在同样的转速时，润滑油黏度愈高则功率损失越大。但在蜗轮传动中，出现的结果相反，这是因为蜗轮传动摩擦大，功率损失大
49、（效率低），工作温度高，一般需要黏度高的润滑油。喷油润滑不存在搅油现象，但甩油现象也会造成功率损失。,1.3.9 润滑对齿面烧伤和轮齿热屈服的影响润滑油选择不当或齿面供油不足时，会使齿面产生高温，于是齿面可能被烧伤，烧伤处的材料强度降低，成为点蚀、胶合的发源地。另外在高温的作用下，材料在强度降低的同时，轮齿会发生热膨胀，并可能发生热屈服，造成传动的失效。为了避免轮齿的热屈服现象，一方面应改进齿轮的材质，热处理方法和强调润滑油的冷却作用。另一方面因高速齿轮沿齿长方向的温升不均匀，会引起轮齿膨胀的不均匀，所以目前对高速齿轮的设计，采取了对齿向方向进行修形的方法。 二、齿轮润滑油（脂）和添加剂齿轮润滑油按其用途分为工业齿轮油和车辆齿轮油两大类。其产品的应用包括两个要素：黏度等级和质量等级。工业齿轮油和车辆齿轮油的黏度等级和质量等级分属两个不同的体系，表示方法不尽相同。 2.1 工业齿轮油的分类我国的工业齿轮油根据其用途分为工业闭式齿轮油、蜗轮蜗杆油、工业开式齿轮油，高速齿轮传动通常采用汽轮机油。我国工业齿轮油分类是参照ISO6743-6（1990）标准及AGMA和美国钢铁公司224等标准制订的。,
