高強(qiáng)度齒輪單齒彎曲疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)

李智敏

(廣州廣電運(yùn)通金融電子股份有限公司，廣東 廣州 510663)

高強(qiáng)度齒輪單齒彎曲疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)

李智敏

(廣州廣電運(yùn)通金融電子股份有限公司，廣東 廣州 510663)

對(duì)兩種低碳合金結(jié)構(gòu)鋼制成的實(shí)際齒輪，選擇滲碳淬火加噴丸這種典型的表面強(qiáng)化工藝進(jìn)行強(qiáng)化，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有設(shè)計(jì)手冊(cè)存在的一些問(wèn)題，研究高強(qiáng)度齒輪經(jīng)表面強(qiáng)化后材料疲勞特性的變化情況。

齒輪；單齒彎曲；疲勞強(qiáng)度

0 引言

為彌補(bǔ)齒輪表面強(qiáng)化的不足，工程上常同時(shí)使用幾種表面強(qiáng)化方法使齒輪達(dá)到較理想的強(qiáng)化效果。滲碳淬火后，齒輪材料表面會(huì)形成一種軟化層，為了改善這種軟化層，通常會(huì)增加噴丸工藝提高齒輪的強(qiáng)度。本文選擇的研究對(duì)象為兩種國(guó)產(chǎn)轎車變速箱齒輪，齒輪材料均為應(yīng)用極廣泛的低碳合金結(jié)構(gòu)鋼，且都經(jīng)過(guò)滲碳淬火加噴丸處理。通過(guò)試驗(yàn)得到這兩種齒輪經(jīng)同種表面工藝強(qiáng)化后的彎曲疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命。

1 20MnCr5齒輪試驗(yàn)

第一種齒輪材料為20MnCr5，齒數(shù)20，變位量1.5 mm，模數(shù)3 mm，壓力角17.5°，變位系數(shù)1.5。疲勞極限427 MPa，抗拉強(qiáng)度930 MPa。材料的化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。齒輪經(jīng)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(xué)成分 單位：%

做試驗(yàn)前，我們采取兩種方法對(duì)經(jīng)表面強(qiáng)化的齒輪抗拉強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)。

第一種預(yù)測(cè)方法：根據(jù)熱處理?xiàng)l件和硬化層深度采用查手冊(cè)圖表方法，預(yù)測(cè)抗拉強(qiáng)度為1 847 MPa。

第二種預(yù)測(cè)方法：根據(jù)表面強(qiáng)化后的齒輪硬度，對(duì)照Wilson表，將硬度轉(zhuǎn)化成抗拉強(qiáng)度，估算齒輪的最大抗拉強(qiáng)度為2 305 MPa。

1.1 靜強(qiáng)度試驗(yàn)

齒輪試驗(yàn)均在德國(guó)產(chǎn)Roell Amsler HFP100型高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上完成。最大加載載荷10 t，試驗(yàn)用加載頻率為74 Hz，試驗(yàn)地點(diǎn)及試驗(yàn)齒輪的裝夾形式如圖1所示。對(duì)齒輪材料施加靜壓直到斷裂，試驗(yàn)3個(gè)齒測(cè)定單齒斷裂的載荷F。若3組測(cè)得的數(shù)據(jù)差別較大，則需另取齒進(jìn)行壓斷，以減少誤差。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

圖1 試驗(yàn)地點(diǎn)及齒輪的裝夾形式

齒輪的靜壓斷裂載荷為26.4 kN(1 kN對(duì)應(yīng)86.35 MPa)，屈服強(qiáng)度為1 700 MPa，靜強(qiáng)度均值為2 279.6 MPa。將兩種預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，第一種查表預(yù)測(cè)誤差23.4%，第二種根據(jù)硬度轉(zhuǎn)化抗拉強(qiáng)度誤差1.1%。說(shuō)明第二種方法預(yù)測(cè)方法準(zhǔn)確性很高，在工程設(shè)計(jì)中，宜根據(jù)零件的硬度估算其抗拉強(qiáng)度。

1.2 疲勞試驗(yàn)

疲勞試驗(yàn)仍在Roell Amsler HFP100型高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)時(shí)循環(huán)比r取0.11，加載頻率取74 Hz。所有齒輪的疲勞試驗(yàn)中，若加載頻率下降5 Hz或輪齒發(fā)生斷裂則認(rèn)為該齒輪發(fā)生了失效，將失效時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)NO作為齒輪彎曲疲勞壽命。當(dāng)NO超過(guò)300萬(wàn)次后停止，認(rèn)為該應(yīng)力下齒輪不發(fā)生疲勞破壞。

表2 20MnCr5材料靜強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

合金結(jié)構(gòu)鋼S—N曲線在中壽命段處，雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下是一條直線。選取幾組當(dāng)量應(yīng)力對(duì)其加載，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

對(duì)齒輪的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到失效率為50%時(shí)的單齒彎曲S—N曲線方程：

σ=2 706.07-302.973 14lgN

(1)

根據(jù)廠家提供的疲勞極限數(shù)據(jù)(1 100 MPa)，接著稍微降低應(yīng)力到1 100 MPa以下時(shí)，試驗(yàn)中循環(huán)數(shù)均超過(guò)300萬(wàn)次而未失效，所以可認(rèn)為廠家提供的疲勞極限是準(zhǔn)確的，該齒輪疲勞極限確實(shí)為1 100 MPa左右。

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)齒輪彎曲疲勞壽命大于十幾萬(wàn)次后，應(yīng)力的微小變化就會(huì)造成疲勞壽命的巨大變化，甚至不會(huì)失效。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，按常規(guī)材料的S—N曲線測(cè)定方法很難測(cè)到單齒彎曲疲勞壽命為40 100萬(wàn)次左右的應(yīng)力。

表3 20MnCr5材料疲勞試驗(yàn)結(jié)果

注：*表示超過(guò)該循環(huán)未失效。

2 20CrMnMo齒輪試驗(yàn)

另取材料為20CrMnMo的齒輪為研究對(duì)象。模數(shù)3 mm，齒數(shù)19，齒寬12 mm，壓力角20°。疲勞極限436 MPa，抗拉強(qiáng)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(jīng)超聲波進(jìn)行探傷，未發(fā)現(xiàn)有缺陷。

齒輪材料的化學(xué)成分如表4所示。

表4 20CrMnMo材料的化學(xué)成分 單位：%

做試驗(yàn)前，為證明上述試驗(yàn)結(jié)論，仍采取兩種方法對(duì)經(jīng)表面強(qiáng)化的齒輪抗拉強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)。

第一種預(yù)測(cè)方法：根據(jù)熱處理?xiàng)l件和硬化層深度查手冊(cè)圖表，預(yù)測(cè)齒輪的抗拉強(qiáng)度為1 395 MPa。

第二種預(yù)測(cè)方法：根據(jù)表面強(qiáng)化后齒輪硬度，對(duì)照Wilson表，將硬度轉(zhuǎn)化成抗拉強(qiáng)度，估算齒輪的最大抗拉強(qiáng)度為1 742 MPa。

2.1 靜強(qiáng)度試驗(yàn)

試驗(yàn)在MTS880電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上完成。分別在不同齒輪上隨機(jī)抽取不同的齒進(jìn)行靜壓試驗(yàn)，加載的速度為0.1 kN/s。在試驗(yàn)過(guò)程中，每隔1 s記錄一次試驗(yàn)的載荷及位移，以齒輪突然斷裂作為輪齒破壞的依據(jù)。加載過(guò)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(yàn)過(guò)程中齒輪的塑性變形不明顯，基本上是脆斷過(guò)程。靜強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 20CrMnMo材料靜強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

齒輪的靜壓斷裂載荷為55.18 kN，對(duì)應(yīng)的靜強(qiáng)度值為1 785 MPa。將兩種預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，第一種查表預(yù)測(cè)誤差27.9%，第二種根據(jù)硬度轉(zhuǎn)化抗拉強(qiáng)度誤差5%。

2.2 疲勞試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)加載頻率范圍為110～120 Hz，循環(huán)比r=0.15。所有齒輪疲勞試驗(yàn)都以試驗(yàn)機(jī)加載力下降到原加載力的40%～50%作為齒輪失效判據(jù)，將失效時(shí)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)NO作為單齒彎曲疲勞壽命。當(dāng)NO超過(guò)300萬(wàn)次后停止，認(rèn)為該應(yīng)力下齒輪不發(fā)生疲勞破壞。

結(jié)果如表6所示。

表6 20CrMnMo材料疲勞試驗(yàn)結(jié)果

注：*表示超過(guò)該循環(huán)未失效。

對(duì)齒輪的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到失效率為50%時(shí)的單齒彎曲S—N曲線方程：

σ=2 338.51-263.31lgN

(2)

由表6可知，當(dāng)應(yīng)力為830 MPa時(shí)，疲勞壽命為570 000次，而應(yīng)力稍微低于814 MPa時(shí)，兩次試驗(yàn)中一次循環(huán)數(shù)超過(guò)了300萬(wàn)次而未失效，所以可認(rèn)為熱處理后齒輪疲勞強(qiáng)度為814 MPa。

試驗(yàn)中也同樣發(fā)現(xiàn)，當(dāng)齒輪彎曲疲勞壽命大于幾十萬(wàn)次后，應(yīng)力的微小變化會(huì)造成疲勞壽命的巨大變化，甚至不會(huì)失效。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，按常規(guī)材料的S—N曲線測(cè)定方法很難測(cè)到單齒彎曲疲勞壽命為60 100萬(wàn)次左右的應(yīng)力。

3 結(jié)論

通過(guò)以上試驗(yàn)，可得到如下結(jié)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(yù)測(cè)工藝處理后材料的強(qiáng)度特性，預(yù)測(cè)結(jié)果存在很大誤差。應(yīng)根據(jù)硬度、強(qiáng)度轉(zhuǎn)化關(guān)系預(yù)測(cè)。

(2) 對(duì)經(jīng)表面強(qiáng)化的齒輪做疲勞試驗(yàn)，疲勞失效的壽命循環(huán)次數(shù)均只達(dá)到幾十萬(wàn)次，然后不斷降低應(yīng)力，循環(huán)次數(shù)就超過(guò)300萬(wàn)次而未失效。不同材料的兩組齒輪都存在這樣的問(wèn)題，以前并沒(méi)有引起試驗(yàn)人員的注意。

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2014-06-19

李智敏(1979—)，男，陜西武功人，碩士研究生，研究方向：機(jī)電產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。