Une revue complète des modes de défaillance des engins (28 types dans 6 catégories)
Les engrenages sont des composants de base de transmission dans les systèmes mécaniques, largement utilisés dans l'aérospatiale, l'automobile, l'énergie éolienne et les industries des machines lourdes.réduction de l'efficacitéCe document résume systématiquement 28 modes de défaillance des engrenages répartis en 6 grandes catégories, y compris leurs mécanismes de formation, caractéristiques typiques,et mesures préventives, qui est une connaissance essentielle de l'industrie pour la conception mécanique, l'analyse des pannes et le personnel de maintenance.
I. Fatigue à la flexion
La fatigue de flexion survient lorsque la contrainte de flexion répétée sur les dents d'engrenage dépasse la résistance à la fatigue du matériau, la contrainte maximale étant concentrée sur le filet de racine de la dent,initiation et propagation des fissuresLes principaux facteurs d'influence sont le nombre de cycles et le niveau de charge.Le contrôle raisonnable de la charge et l'optimisation structurelle sont au cœur de la prévention.
1.1 Fatigue de courbure à faible cycle
Il se produit lorsque la charge cyclique est inférieure à 10 000 cycles.alors que les matériaux durs et fragiles présentent des caractéristiques de fracture lisses et élégantes.
1.2 Fatigue due à des courbes à cycle élevé
Il se produit lorsque la charge cyclique dépasse 10 000 cycles, avec le matériau dans un état de faible contrainte et généralement dans la plage de déformation élastique.
Mesures préventives
Sélectionnez des matériaux avec une résistance à la fatigue plus élevée et optimisez la conception des engrenages pour correspondre à la charge et à la limite de fatigue.
Il convient d'adopter des procédés de dépollution (introduction de contraintes de compression sur le filet de racine des dents) ou de polissage (réduction de la rugosité de la surface).
Mettre en œuvre un traitement thermique rationnel pour minimiser les contraintes résiduelles dans les dents des engrenages.
II. Fatigue hertzienne
L'échec de la fatigue hertzienne est causé par des fissures initiées par des forces hertziennes répétées à la surface ou sous-surface, entraînant une perte de matériau avec la propagation des fissures.La sélection raisonnable des matériaux et la lubrification sont les principaux moyens d'atténuer une telle défaillance, qui est une forme commune de fatigue de surface des engrenages sous charge de contact.
2.1 Macropitage
Les fissures se forment à la surface ou à une certaine profondeur sous la surface et se propagent sur une courte distance presque parallèle à la surface, formant des cratères avec des caractéristiques tranchantes et angulaires.Il est classé en non-progressive (diamètre < 1 mm), progressive (diamètre > 1 mm) et granuleuse. La macropitalisation granuleuse est relativement peu profonde mais couvre une plus grande surface,et les fissures de fatigue s'étendent de la zone d'initiation en forme de ventilateur de la surface des dents pour former des fosses triangulaires.
2.2 Microplage
Il apparaît dans les zones avec des taches ternes et grises et des signes d'usure sur la surface, ce qui est courant chez les engrenages à surface durcie et peut également se produire chez les engrenages entièrement durcis avec une conception incorrecte.
2.3 Fatigue sous-marine
Les fissures se produisent dans la zone de transition entre le noyau de la dent et la couche durcie sous la surface de la dent, principalement causées par des processus de durcissement de surface (carburation, nitridation, durcissement par induction),résistance à la flamme).
2.4 Éclaboussures
Une forme sévère de fatigue de surface, caractérisée par des fosses peu profondes de grande surface sur la surface de la dent formées par l'expansion et la fusion de plusieurs petites fosses.Il augmente considérablement le bruit des engrenages et les vibrations, induit par des contraintes de contact élevées et des défauts de matériaux.
Mesures préventives
Réduisez les contraintes de contact, utilisez de l'acier propre et ajoutez des procédés de broyage ou d'affûtage dans la fabrication de la surface des dents.
Adopter des lubrifiants à haute viscosité; éviter les piqûres sur les flancs des dents pour prévenir les micropissures.
Sélectionnez de l'acier durci, évitez la surchauffe et maîtrisez les contraintes inférieures à la résistance du sous-sol pour la fatigue du sous-sol.
Assurez-vous que les engrenages sont alignés correctement et utilisez des matériaux de haute qualité pour éviter les éclaboussures.
III. Le port
L'usure désigne la dégradation de la surface des dents des engrenages causée par l'enlèvement ou le déplacement du matériau sous des contraintes électriques, mécaniques et chimiques au fil du temps, entraînant un bruit anormal,une mauvaise performance NVH et même une éventuelle défaillanceIl est divisé en degrés légers, modérés et sévères, parmi lesquels une légère usure est normale dans de nombreuses applications.
3.1 Usure des adhésifs
Les transferts de matériaux d'une surface dentaire à une autre en raison du micro-soudage et de la déchirure, limités à la couche d'oxyde et au film de surface de la surface dentaire.Une légère adhérence peut disparaître automatiquement à mesure que la surface s'allonge., tandis qu'une adhérence modérée efface une partie ou la totalité des marques d'usinage originales.
3.2 Usure abrasive
Causée par des particules dures (contaminants externes tels que la poussière dans le lubrifiant ou les débris métalliques durs générés par d'autres défaillances),se produisant principalement à la pointe ou à la racine de la dent en raison d'une vitesse de glissement locale élevéeL'usure sévère conduit à la disparition complète des traces d'usinage et à une forte réduction de l'épaisseur des dents.
3.3 Usure de polissage
Une légère usure abrasive qui rend la surface de la dent progressivement lisse en raison de la contamination par des lubrifiants chimiquement actifs avec des additifs anti-écoulement à haute efficacité,plus susceptible de se produire lorsque des surfaces dures et molles entrent en contact.
3.4 Usure corrosive
Une dégradation sévère de la surface causée par l'action combinée de l'usure mécanique et de l'érosion chimique, la surface des dents présentant des taches, de la rouille et une apparence brune rougeâtre,et toute la surface de la dent peut être affectée.
3.5 Corrosion par frottement
Se produit lorsque les surfaces de contact supportent un mouvement relatif réciproque de petite amplitude sous pression, avec le lubrifiant pressé, ce qui conduit au contact et à l'adhérence métal-métal.Les sommets rugueux fracturés génèrent une poudre d'oxyde de fer en forme de poudre de cacao, ce qui entrave le remplissage du lubrifiant et aggrave l'usure.
3.6 Écorchage
Une usure sévère de l'adhésif où les débris métalliques d'une surface dentaire se déplacent vers une autre et les soudures/déchirures sur la surface.distribués en bandes minces/larges le long de la direction de glissementL'usure sévère entraîne une déformation plastique du matériau de surface.
3.7 Usure des machines à décharge électrique (EDM)
La température élevée causée par la décomposition par étincelle électrique du film d'huile entre les dents des engrenages entraîne une fusion locale de la surface des dents,formant des fosses hémisphériques lisses et arrondies entourées d'acier ablaté/fondu, induit par l'électricité statique, le courant d'arbre ou une mauvaise mise à la terre.
Mesures préventives
Augmenter l'épaisseur du film lubrifiant (surface lisse, vitesse élevée, lubrifiant à basse température) pour l'usure des adhésifs; installer des filtres à huile à haut rendement pour éliminer les particules dures pour l'usure abrasive.
Utilisez des additifs anti-effilochage à base de borate et retirez les particules abrasives du lubrifiant pour l'usure de polissage.
Sélectionnez des matériaux résistants à la corrosion (p. ex. acier inoxydable), réduisez l'humidité ambiante et utilisez des lubrifiants de haute qualité pour l'usure corrosive.
Adopter des matériaux ayant des propriétés électrochimiques similaires, appliquer des revêtements et ajouter des inhibiteurs de corrosion pour freiner la corrosion.
Optimisez les paramètres géométriques des engrenages, utilisez de l'acier nitré et des lubrifiants anti-écorchage à haute viscosité pour l'écorchage.
Concevoir des systèmes de mise à la terre rationnels, utiliser des roulements isolés et effectuer une maintenance régulière de l'usure des MDE.
IV. Craquage
Le craquage fait référence à la formation de diverses fissures dans les engrenages pendant la fabrication, le traitement thermique ou l'exploitation, ce qui constitue une forme dangereuse de défaillance pouvant entraîner une fracture soudaine des engrenages.principalement liés à des défauts de processus, les concentrations de contraintes et les défauts de matériaux.
4.1 Éteindre les fissures
Causés par des procédés de traitement thermique (carburation, nitridation, durcissement par induction) dus à des contraintes thermiques, à des défauts de matériaux ou à un refroidissement inapproprié,caractérisé par des fissures linéaires intergranulaires s'étendant de la surface au centre de la dent.
4.2 Fractures de broyage
Les fissures de surface ou de sous-surface générées lors du grincement des dents, induites par une production de chaleur excessive et un refroidissement insuffisant,conduisant à des contraintes résiduelles de traction et même à des brûlures de broyage (adoucissement ou durcissement des zones locales)Les zones surchauffées peuvent être identifiées par gravure à l'acide, avec des zones de trempage brun/noir et des taches blanches de martensite non trempée.
4.3 Fentes de jante et de toile
Les fissures de jante sont généralement des fractures entre dents adjacentes, s'étendant radialement à travers la jante et la toile; les fissures de toile sont causées par un stress cyclique élevé ou une concentration de stress (par exemple, trous),et la résonance des engrenages aggrave ces fissuresUne forte force centrifuge peut entraîner une défaillance catastrophique à grande vitesse.
4.4 Séparation de la surface/du noyau des dents
La surface durcie de la dent se sépare du noyau moelleux de la dent en raison de fissures internes à l'interface, entraînant une fracture des coins, des bords ou de l'ensemble de la pointe de la dent.Des fissures peuvent apparaître immédiatement après traitement thermique, pendant le transport/l'entreposage ou en service.
Mesures préventives
Assurez-vous de la structure symétrique de l'engrenage, de l'épaisseur uniforme de la paroi, de l'optimisation du processus de traitement thermique et de la température immédiatement après l'éteinte pour éteindre les fissures.
Sélectionner les meules appropriées, contrôler la vitesse d'alimentation et l'apport de liquide de refroidissement, limiter la dureté de surface à moins de 60 HRC et la teneur en austénite retenue à moins de 20% pour les fissures de broyage;utiliser l'inspection des particules magnétiques pour la détection des fissures.
Concevoir une épaisseur de jante deux fois supérieure à la profondeur de la dent, réduire la concentration de contrainte et éviter la résonance pour les fissures de jante et de toile; procéder régulièrement à une inspection des particules magnétiques.
Contrôlez la profondeur de carburation à l'extrémité des dents, sélectionnez de l'acier pur avec une résistance élevée à la fracture,éviter de pincer la surface des dents et de les tempérer immédiatement après l'éteinte pour séparer la surface des dents du noyau; utiliser des tests par ultrasons pour identifier les défauts.
V. Déformation plastique
La déformation plastique désigne le changement permanent du profil des dents d'engrenage, entraînant des vibrations élevées, un bruit anormal et de mauvaises performances de maillage, principalement causés par un stress de contact excessif,température élevée et mauvaise lubrification, le matériau subissant un changement de forme irréversible.
5.1 Flux de froid
Se produit en dessous de la température de recrystallization, lorsque le matériau est poussé/traîné dans la direction du glissement sous haute pression de contact, entraînant une entaille de surface et un arrondi sévère des extrémités des dents;le durcissement des matériaux de surface et de sous-sol par travail à froid se produit sous haute charge.
5.2 Flux de chaleur
se produit au-dessus de la température de recristallisation, avec un débit plastique du matériau de l'engrenage sous l'action combinée d'une température et d'une contrainte élevées, entraînant une distorsion de la taille et de la forme de l'engrenage,principalement causée par une surcharge ou une lubrification insuffisante (accumulation de chaleur par friction).
5.3 Indentation
Les corps étrangers durs (métal ou débris) sur les surfaces de maillage des dents forment des creux ou des crevasses sur la surface de la dent motrice, ce qui entraîne un stress accru, une efficacité réduite et des vibrations anormales.
5.4 Déformation du roulement
Les contraintes de contact élevées causées par le mouvement combiné de roulement et de glissement lors du maillage des engrenages entraînent une déformation plastique,qui peuvent induire des fissures de surface et des déplacements de matériaux avec la propagation des fissures.
5.5 Vagues
déformation ondulée périodique de la surface de la dent motrice avec crêtes ondulées perpendiculaires à la direction du glissement et apparence d'écailles de poisson le long de la longueur de la dent,se produisant principalement à basse vitesse en raison d'un film d'huile élastohydrodynamique insuffisant, liée au débit plastique sous haute contrainte de contact et lubrification de bordure.
5.6 Réglage
Formé par l'usure de la surface/sous-surface et le débit plastique, induit par une mauvaise lubrification, une contamination par le lubrifiant, un mauvais alignement et une surcharge, entraînant une augmentation du bruit,une réduction de l'efficacité et même des dommages graves.
5.7 Récupération des filets de racines dentaires
Flexion permanente des dents d'engrenage lorsque la contrainte de flexion au fillet de racine de la dent dépasse la résistance au rendement du matériau,entraînant une erreur significative d'envergure et une interférence destructrice entre les dents de maillage, et augmentation du bruit et des vibrations.
5.8 Interférences au niveau des racines
La déformation, l'adhésion et l'abrasion plastiques surviennent à la pointe des dents d'un engrenage et à la racine des dents de l'engrenage d'accouplement, causées par une modification insuffisante de la pointe ou de la racine.erreur géométrique/erreur de hauteur ou distance centrale incorrecte; la surcharge aggravera le défaut en réduisant le dégagement des mailles, et la zone endommagée peut induire une fatigue hertzienne.
Mesures préventives
Réduire les contraintes de contact, améliorer la dureté de la surface/sous-surface et augmenter la précision de la hauteur pour le flux froid; sélectionner des matériaux résistants aux températures élevées et assurer une lubrification suffisante pour le flux chaud.
Utiliser un lubrifiant propre de haute qualité, installer des filtres efficaces et des boîtiers d'étanchéité raisonnables pour les entailles; adopter une lubrification rationnelle,sélection des matériaux et traitement de surface pour la déformation du laminage.
Assurer une lubrification adéquate, un alignement correct et un durcissement de la surface des matériaux mous pour les ondulations; garantir une lubrification suffisante, optimiser la conception des engrenages et un alignement correct régulièrement pour les rebords.
Sélectionnez des matériaux à résistance de rendement plus élevée, augmentez le rayon du filet de racine des dents et adoptez un durcissement de surface (carburation/nitridation) pour le rendement du filet de racine des dents; évitez la surcharge.
Augmenter l'angle de pression, effectuer la coupe des racines, ajouter le nombre de dents ou augmenter la distance du centre pour l'interférence pointe-racine; optimiser les paramètres géométriques des engrenages et contrôler la précision de l'usinage.
VI. Fracture
La fracture est la forme ultime de défaillance des engrenages, avec la structure dentaire complètement endommagée et la perte de la fonction de transmission, principalement divisée en fractures fragiles,fracture ductile et fracture par impact, différente par les caractéristiques de la fracture et les facteurs inducteurs.
6.1 Fracture fragile
Caractérisé par une propagation rapide des fissures sans déformation plastique évidente, avec une surface de fracture macroscopique brillante et granulaire, plate et perpendiculaire à l'axe de contrainte.Il est généralement causé par une charge d'impact élevée ou une concentration de contrainte, et se produit à un niveau de contrainte inférieur à la fracture ductile.
6.2 Fracture ductile
Une déformation plastique significative survient avant la fracture du matériau, avec un étirement ou un étirement évident, et la surface de la fracture présente une forme de cône de tasse, un aspect fibreux et gris.Une lèvre de cisaillement peut se former sur le côté non fonctionnel des dents d'engrenage, et le matériau absorbe une grande quantité d'énergie lors de la fracture.
6.3 Fracture par choc
Causée par une charge ou un choc soudains de haute tension (surcharge ou accident), entraînant une fracture soudaine des dents des engrenages sans précurseur évident.La surface de fracture est plate et perpendiculaire à la direction principale de la contrainte de traction, semblable à une fracture fragile, induite par une charge excessive, un choc accidentel et des défauts de matériaux internes.
Mesures préventives
Mettre en œuvre un traitement thermique approprié pour améliorer la ténacité du matériau et sélectionner des matériaux à haute ténacité et ductilité pour les fractures fragiles.
Utilisez des matériaux de haute résistance avec un minimum de défauts pour une fracture ductile.
Sélectionner des matériaux de haute qualité, effectuer régulièrement des essais non destructifs et éviter la surcharge ou l'impact accidentel pour fracture par impact.
Résumé essentiel
Les défaillances des engins sont le résultat global des conditions de matériel, de conception, de processus et de fonctionnement..Les principes de base de la prévention sont les suivants: sélection rationnelle des matériaux et traitement des surfaces, conception structurelle optimisée pour réduire la concentration de contraintes,contrôle strict des procédés de fabrication/traitement thermique, une lubrification et un entretien appropriés, et le respect des conditions de fonctionnement nominales.des mesures ciblées de détection et de prévention devraient être adoptées pour améliorer la fiabilité et la durée de vie des systèmes d'engrenages.