齒輪彎曲疲勞試驗

試驗方法： 齒輪材料彎曲疲勞試驗夾具采用圖1所示的單齒加載方式,。該種試驗方法通過摩擦力固定試驗齒輪，摩擦力來至緊固螺栓的扭緊力矩,。試驗方法執(zhí)行GB/T14230—1993《齒輪彎曲疲勞強度試驗方法》中的4.2B輪齒高頻脈動加載試驗方法,。

圖1  試驗夾具示意

試驗齒輪基本參數(shù)：試驗齒輪為直齒輪，材料采用20CrNiMoH,，齒輪制造工藝為鍛造-正火-粗車-精車-滾齒-滲碳淬火-磨齒-噴丸,；滲碳溫度（925±5）℃, 840 ℃淬火，180 ℃回火,；齒輪噴丸采用QZG-1000Y型吊掛式拋丸機,，丸速80m/s，丸粒直徑0.8mm,，覆蓋率為200%,；殘余應(yīng)力測試設(shè)備為X射線應(yīng)力儀X3003，測試方法為X射線衍射法,。

試驗齒輪主要參數(shù)見表1,，

試驗齒輪的宏觀形貌見圖2，

試驗齒輪力學(xué)性能檢驗結(jié)果見表2,，

化學(xué)成分檢驗結(jié)果見表3,。

試驗過程：試驗設(shè)備為Zwick15噸高頻試驗機，試驗應(yīng)力比r為 0.05，試驗頻率為105Hz,。為了比較噴丸與未噴丸齒輪的疲勞強度及S-N曲線斜率,，分別測試2種齒輪的S-N曲線進行比較。采用分組法測試S-N曲線的斜線段部分,，應(yīng)力級別5個以上,，成組數(shù)據(jù)點在8個以上；利用升降法測試曲線疲勞強度極限,，條件疲勞極限壽命為300萬次,，有效數(shù)據(jù)在10個以上。

試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)處理

成組法試驗結(jié)果：噴丸齒輪與未噴丸齒輪成組法獲得的疲勞試驗結(jié)果數(shù)據(jù)見表4,、表5,。

      利用肖維奈（Chauvenet）準則對各組試驗數(shù)據(jù)進行可疑數(shù)據(jù)取舍處理，具體過程參見文獻,。

     其中噴丸齒輪各組試驗數(shù)據(jù)均有效,，未噴丸齒輪數(shù)據(jù)在35 kN、33kN載荷下均有可疑數(shù)據(jù),。

       式中,，為數(shù)壽命均值；Xp 為存活率為 p 時對數(shù)壽命,；up為標(biāo)準正態(tài)偏量,；s為標(biāo)準差；NP為存活率為p時壽命,。

      根據(jù)以上公式求得不同存活率下的疲勞壽命對數(shù)值見表6,。

升降法試驗結(jié)果：利用升降法測試的兩種工藝的疲勞強度極限結(jié)果見圖5、圖6,。不同存活率的疲勞極限載荷見表7,。 

齒根應(yīng)力計算：根據(jù) GB/T 14230—1993 中公式計算各載荷下的實際齒根應(yīng)力。

                 （4）

      式中,，σ^,F為實際齒根應(yīng)力,；Ft為端面內(nèi)分度圓周上的名義切向力；Y_FE為載荷作用下 E 點時的齒形系數(shù),；Y_SE為載荷作用于 E點時的應(yīng)力修正系數(shù),；b為齒寬；m為模數(shù),；Y_ST為齒輪的應(yīng)力修正系數(shù),；Y_δrelT為相對齒根圓角敏感系數(shù)；Y_RrelT為相對齒根表面狀況系數(shù),；Y_X為計算彎曲強度的尺寸系數(shù),。

      按上式計算各試驗載荷下齒根應(yīng)力值見表8,。

P-S-N曲線繪制

根據(jù)表6、表8的計算結(jié)果,，繪制20CrNiMoH材料兩種不同工藝齒輪彎曲P-S-N曲線見圖7,、圖8

    兩種不同工藝齒輪的存活率50%的S-N曲線對比見圖9

  噴丸齒輪不同存活率的曲線冪函數(shù)式如下。

    a.P=50% 時S-N曲線公式為S=2 392.1N-0.075（r=0.956 9）,；

    b.P=90% 時S-N曲線公式為S=2 458.5N-0.081（r=0.949 5）,；

    c.P=95% 時S-N曲線公式為S=2 460.4N-0.082（r=0.943 6）；

    d.P=99% 時S-N曲線公式為S=2 450.3N-0.083（r=0.928 9）,。

    未噴丸齒輪不同存活率的曲線公式如下,。

    a.P=50% 時S-N曲線公式為S=1 982.9N-0.077（r=0.998 9）；

    b.P=90% 時S-N曲線公式為S=2 012.1N-0.08（r=0.999 6）,；

    c.P=95% 時S-N曲線公式為S=2 017.2.4N-0.081（r=0.999 7）,；

    d.P=99% 時S-N曲線公式為S=2 026.4N-0.083（r=0.999 7）。

 討論分析

     a. 齒輪制造,，2種試驗齒輪采用相同的材料,，相同的機加和熱處理工藝，只有噴丸與未噴丸的差異,，噴丸的齒輪為同一批次處理完成，保證齒輪表面噴丸強化效果的一致性,。

      b. 試驗條件,，噴丸與未噴丸的試驗齒輪在同一臺高頻試驗機上進行彎曲疲勞試驗，試驗夾具為單齒齒頂加載,，保證了每次試驗時加載位置的一致性,。

      c.試驗樣品數(shù)，為了解決試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定性及可靠性的問題,，通過成組法獲得的試驗數(shù)據(jù)經(jīng)過了可疑數(shù)據(jù)篩選處理,，低應(yīng)力下的試驗數(shù)據(jù)在12個左右，保證了試驗數(shù)據(jù)的可靠性,。

      d. 齒根應(yīng)力計算,，齒根應(yīng)力計算采用國標(biāo) GB/T 14230 中的計算方法，由于噴丸與未噴丸齒輪幾何參數(shù)相同,，計算時選取的參數(shù)一致,，應(yīng)力計算結(jié)果能反應(yīng)二者齒根受力差異。

      e.2種齒輪S-N曲線比較,，噴丸齒輪P50曲線的冪函數(shù)指數(shù)為-0.075,，P99曲線冪函數(shù)指數(shù)為-0.083，未噴丸齒輪P50曲 線的冪函數(shù)指數(shù)為 -0.077,，P99曲線冪函數(shù)指數(shù)為-0.083,，可見兩種齒輪相同存活率下的S-N冪函數(shù)指數(shù)幾乎相等。說明了相同模數(shù)及齒寬的齒輪彎曲S-N曲線的冪函數(shù)指數(shù)相近。

結(jié)論

       a. 測試獲得了20CrNiMoH 材料噴丸與未噴丸齒輪不同存活率的彎曲P-S-N曲線,，兩種齒輪的冪函數(shù)指數(shù)相近,，即2種齒輪S-N曲線斜線段斜率相近。

      b.由測試結(jié)果可以看出,，齒輪材料彎曲S-N曲線的斜率與表面殘余應(yīng)力無關(guān),，與齒輪模數(shù)及齒寬等因素有關(guān)。

      c. 試驗齒輪經(jīng)過噴丸表面強化處理后其彎曲疲勞強度比未經(jīng)噴丸處理齒輪的彎曲疲勞強度提高30%,。