高強度齒輪單齒彎曲疲勞強度試驗

李智敏

(廣州廣電運通金融電子股份有限公司，廣東 廣州 510663)

高強度齒輪單齒彎曲疲勞強度試驗

李智敏

(廣州廣電運通金融電子股份有限公司，廣東 廣州 510663)

對兩種低碳合金結構鋼制成的實際齒輪，選擇滲碳淬火加噴丸這種典型的表面強化工藝進行強化，通過試驗發現現有設計手冊存在的一些問題，研究高強度齒輪經表面強化后材料疲勞特性的變化情況。

齒輪；單齒彎曲；疲勞強度

0 引言

為彌補齒輪表面強化的不足，工程上常同時使用幾種表面強化方法使齒輪達到較理想的強化效果。滲碳淬火后，齒輪材料表面會形成一種軟化層，為了改善這種軟化層，通常會增加噴丸工藝提高齒輪的強度。本文選擇的研究對象為兩種國產轎車變速箱齒輪，齒輪材料均為應用極廣泛的低碳合金結構鋼，且都經過滲碳淬火加噴丸處理。通過試驗得到這兩種齒輪經同種表面工藝強化后的彎曲疲勞強度和疲勞壽命。

1 20MnCr5齒輪試驗

第一種齒輪材料為20MnCr5，齒數20，變位量1.5 mm，模數3 mm，壓力角17.5°，變位系數1.5。疲勞極限427 MPa，抗拉強度930 MPa。材料的化學成分質量分數如表1所示。齒輪經滲碳淬火加噴丸處理后齒面硬度為59～63HRC，硬度為52HRC的有效硬化層深度為0.7～1.0 mm，齒根心部硬度為36～47HRC。齒輪表面馬氏體中有17%保留奧氏體。

表1 20MnCr5材料的化學成分 單位：%

做試驗前，我們采取兩種方法對經表面強化的齒輪抗拉強度進行預測。

第一種預測方法：根據熱處理條件和硬化層深度采用查手冊圖表方法，預測抗拉強度為1 847 MPa。

第二種預測方法：根據表面強化后的齒輪硬度，對照Wilson表，將硬度轉化成抗拉強度，估算齒輪的最大抗拉強度為2 305 MPa。

1.1 靜強度試驗

齒輪試驗均在德國產Roell Amsler HFP100型高頻疲勞試驗機上完成。最大加載載荷10 t，試驗用加載頻率為74 Hz，試驗地點及試驗齒輪的裝夾形式如圖1所示。對齒輪材料施加靜壓直到斷裂，試驗3個齒測定單齒斷裂的載荷F。若3組測得的數據差別較大，則需另取齒進行壓斷，以減少誤差。試驗結果如表2所示。

圖1 試驗地點及齒輪的裝夾形式

齒輪的靜壓斷裂載荷為26.4 kN(1 kN對應86.35 MPa)，屈服強度為1 700 MPa，靜強度均值為2 279.6 MPa。將兩種預測結果與試驗結果對比，第一種查表預測誤差23.4%，第二種根據硬度轉化抗拉強度誤差1.1%。說明第二種方法預測方法準確性很高，在工程設計中，宜根據零件的硬度估算其抗拉強度。

1.2 疲勞試驗

疲勞試驗仍在Roell Amsler HFP100型高頻疲勞試驗機上進行。試驗時循環比r取0.11，加載頻率取74 Hz。所有齒輪的疲勞試驗中，若加載頻率下降5 Hz或輪齒發生斷裂則認為該齒輪發生了失效，將失效時對應的應力循環次數NO作為齒輪彎曲疲勞壽命。當NO超過300萬次后停止，認為該應力下齒輪不發生疲勞破壞。

表2 20MnCr5材料靜強度試驗結果

合金結構鋼S—N曲線在中壽命段處，雙對數坐標下是一條直線。選取幾組當量應力對其加載，試驗結果如表3所示。

對齒輪的試驗數據進行處理，得到失效率為50%時的單齒彎曲S—N曲線方程：

σ=2 706.07-302.973 14lgN

(1)

根據廠家提供的疲勞極限數據(1 100 MPa)，接著稍微降低應力到1 100 MPa以下時，試驗中循環數均超過300萬次而未失效，所以可認為廠家提供的疲勞極限是準確的，該齒輪疲勞極限確實為1 100 MPa左右。

試驗中發現，當齒輪彎曲疲勞壽命大于十幾萬次后，應力的微小變化就會造成疲勞壽命的巨大變化，甚至不會失效。試驗發現，按常規材料的S—N曲線測定方法很難測到單齒彎曲疲勞壽命為40 100萬次左右的應力。

表3 20MnCr5材料疲勞試驗結果

注：*表示超過該循環未失效。

2 20CrMnMo齒輪試驗

另取材料為20CrMnMo的齒輪為研究對象。模數3 mm，齒數19，齒寬12 mm，壓力角20°。疲勞極限436 MPa，抗拉強度930 MPa。表面采用滲碳淬火，滲層深度0.5 mm。齒面硬度50～54HRC，心部硬度30～42HRC。經超聲波進行探傷，未發現有缺陷。

齒輪材料的化學成分如表4所示。

表4 20CrMnMo材料的化學成分 單位：%

做試驗前，為證明上述試驗結論，仍采取兩種方法對經表面強化的齒輪抗拉強度進行預測。

第一種預測方法：根據熱處理條件和硬化層深度查手冊圖表，預測齒輪的抗拉強度為1 395 MPa。

第二種預測方法：根據表面強化后齒輪硬度，對照Wilson表，將硬度轉化成抗拉強度，估算齒輪的最大抗拉強度為1 742 MPa。

2.1 靜強度試驗

試驗在MTS880電液伺服疲勞試驗機上完成。分別在不同齒輪上隨機抽取不同的齒進行靜壓試驗，加載的速度為0.1 kN/s。在試驗過程中，每隔1 s記錄一次試驗的載荷及位移，以齒輪突然斷裂作為輪齒破壞的依據。加載過程中的位移—力曲線如圖2所示。

圖2 加載中位移—力曲線

從圖中可看出，在靜壓試驗過程中齒輪的塑性變形不明顯，基本上是脆斷過程。靜強度試驗結果如表5所示。

表5 20CrMnMo材料靜強度試驗結果

齒輪的靜壓斷裂載荷為55.18 kN，對應的靜強度值為1 785 MPa。將兩種預測結果與試驗結果對比，第一種查表預測誤差27.9%，第二種根據硬度轉化抗拉強度誤差5%。

2.2 疲勞試驗

試驗時加載頻率范圍為110～120 Hz，循環比r=0.15。所有齒輪疲勞試驗都以試驗機加載力下降到原加載力的40%～50%作為齒輪失效判據，將失效時的應力循環次數NO作為單齒彎曲疲勞壽命。當NO超過300萬次后停止，認為該應力下齒輪不發生疲勞破壞。

結果如表6所示。

表6 20CrMnMo材料疲勞試驗結果

注：*表示超過該循環未失效。

對齒輪的試驗數據進行處理，得到失效率為50%時的單齒彎曲S—N曲線方程：

σ=2 338.51-263.31lgN

(2)

由表6可知，當應力為830 MPa時，疲勞壽命為570 000次，而應力稍微低于814 MPa時，兩次試驗中一次循環數超過了300萬次而未失效，所以可認為熱處理后齒輪疲勞強度為814 MPa。

試驗中也同樣發現，當齒輪彎曲疲勞壽命大于幾十萬次后，應力的微小變化會造成疲勞壽命的巨大變化，甚至不會失效。試驗發現，按常規材料的S—N曲線測定方法很難測到單齒彎曲疲勞壽命為60 100萬次左右的應力。

3 結論

通過以上試驗，可得到如下結論：

(1) 這種表面處理能使不同材料的齒輪疲勞特性得到顯著提高。采用查圖表方法預測工藝處理后材料的強度特性，預測結果存在很大誤差。應根據硬度、強度轉化關系預測。

(2) 對經表面強化的齒輪做疲勞試驗，疲勞失效的壽命循環次數均只達到幾十萬次，然后不斷降低應力，循環次數就超過300萬次而未失效。不同材料的兩組齒輪都存在這樣的問題，以前并沒有引起試驗人員的注意。

[1]石振華，陶印華，王越.大功率機車齒輪鋼(16Cr2Ni2A)性能的研究[J].馬鋼科技，1995(3)

[2]廖正中.滲碳齒輪鋼的沖擊—彎折性能與應用[J].川汽科技，1992(2)

[3]李建華.汽車齒輪輪鋼20MnCr5及其熱處理工藝研究[D].南京林業大學，2003

[4]朱傳有，楊永華.高速重在齒輪滲碳用鋼的選用[J].江蘇機械，1987(3)

2014-06-19

李智敏(1979—)，男，陜西武功人，碩士研究生，研究方向：機電產品結構設計。