仿生齒輪抗接觸疲勞性能的試驗研究

呼詠，張永勝，張志輝，韓志武，任露泉

（1.吉林大學機械科學與工程學院，吉林長春130022；2.泛亞汽車技術中心有限公司試驗認證部，上海201201；3.吉林大學工程仿生教育部重點實驗室，吉林長春130022）

仿生齒輪抗接觸疲勞性能的試驗研究

呼詠1，3，張永勝2，張志輝3，韓志武3，任露泉3

（1.吉林大學機械科學與工程學院，吉林長春130022；2.泛亞汽車技術中心有限公司試驗認證部，上海201201；3.吉林大學工程仿生教育部重點實驗室，吉林長春130022）

為了提高傳動齒輪的抗接觸疲勞性能，依據生物耦合耐磨原理，模仿潮間帶貝類體表設計了9種條紋狀組織非光滑仿生表面形態(tài)和軟硬相間結構，利用激光微區(qū)處理技術進行了仿生抗接觸疲勞圓柱滾子試件的制備。利用仿生圓柱滾子試件對滾模擬了齒輪副的嚙合傳動，通過正交試驗及其優(yōu)化方法優(yōu)選出適合的仿生表面制備工藝參數和形態(tài)分布參數，從而制備出具有良好環(huán)境適應性和實用性的仿生齒輪。經嚙合傳動試驗表明，仿生齒輪的抗接觸疲勞性能較普通齒輪提高20%以上，表面潤滑條件改善、碎屑有效收集、散熱面積增大、裂紋傳播阻斷等綜合作用是仿生齒輪抗接觸疲勞性能提高的主要原因。

仿生齒輪；接觸疲勞；激光淬火；工程仿生；正交試驗；嚙合傳動；仿生滾子試件

齒輪是機械裝備中極其重要的傳動部件，其抗接觸疲勞性能的優(yōu)劣直接影響到齒輪的使用壽命。針對該問題，國內外許多研究者采用多種方法進行了提高齒輪抗接觸疲勞性能的嘗試，例如表面強化技術［1］、改變齒輪材質［2］、改進齒輪的制造方法［3］、改變并優(yōu)化齒形［4］以及加強齒輪的潤滑能力［5］等，但這些方法多從齒輪或其表面整體進行研究，采用材料處理技術，而未考慮表面幾何、結構等多因素的影響。本文從仿生學的角度出發(fā)，通過構建表面幾何形態(tài)和軟硬相間結構的仿生技術來提高齒輪的抗接觸疲勞性能。

吉林大學工程仿生教育部重點實驗室科研人員一直致力于生物表面仿生工程的研究，研制了一批具有實際應用價值的產品，例如根據穿山甲鱗片以及蚯蚓體表的非光滑形態(tài)等研制了具有較好耐磨性能的冶金軋輥［6］、制動轂［7］、模具［8］、缸套、活塞等［9］。

本文模仿潮間帶貝類體表設計了9種條紋狀組織非光滑仿生表面形態(tài)和軟硬相間結構；利用仿生圓柱滾子試件的對滾模擬了齒輪副的嚙合傳動，通過正交試驗及其優(yōu)化方法優(yōu)選出適合的仿生表面制備工藝參數和形態(tài)分布參數，從而制備出具有良好環(huán)境適應性和實用性的仿生齒輪；憑借嚙合傳動試驗驗證了仿生齒輪的抗接觸疲勞性能，分析了其抗接觸疲勞性能提高的重要原因。

1 仿生齒輪的制備

1.1 仿生表面形態(tài)設計與圓柱滾子試件制備

1.1.1 仿生表面形態(tài)與結構的設計

以潮間帶貝類的外殼表面為仿生研究對象，結合齒輪的尺寸參數、工作狀況和表面精度等級，通過正交試驗方法設計9種不同參數類型的、軟硬相間的、具有微小寬度和深度的（寬度為160～260 μm，深度為3 μm）并規(guī)則排列的條紋狀組織非光滑仿生表面形態(tài)，條紋處為高硬度的區(qū)域。常規(guī)的機械加工技術很難制備如此微小的仿生形態(tài)，同時也不易得到軟硬相間的結構，所以本文采用激光加工技術來制備組織非光滑仿生表面形態(tài)。設計仿生表面形態(tài)時主要考慮如下3個參數：條紋寬度A、激光掃描速度B和條紋周向中心距C。其中，激光掃描速度與條紋處硬化層的深度有關，結合加工設備的工藝特點與齒輪的材料、表面質量等經過多次調試來確定。表1為9種組織非光滑仿生表面形態(tài)的具體參數。

表1 9種條紋狀組織非光滑仿生表面形態(tài)參數Table1 Parameters of 9 stripy bionic surface morphologies

1.1.2 仿生圓柱滾子試件的制備

相互嚙合的圓柱齒輪在嚙合過程中，某一嚙合點的接觸應力就相當于軸線平行的兩圓柱體接觸時的接觸應力，所以為了降低成本、簡化試驗，可用2個圓柱體的對滾來代替2個輪齒的嚙合。因此可以將設計的9種仿生表面形態(tài)制備到圓柱滾子試件上獲得仿生圓柱滾子試件，通過仿生圓柱滾子試件的對滾試驗挑選出最優(yōu)的仿生表面形態(tài)，進而制備出仿生齒輪。圖1為采用正交試驗方法設計的圓柱滾子試件的示意圖。圖2為貝殼表面形貌放大圖與采用激光技術制備的仿生圓柱滾子試件表面（放大120倍，仿生條紋平行于圓柱滾子試件的軸線）。圓柱滾子試件的材料為45鋼；所使用的激光處理機型號為JG20?1，額定功率為300 W，激光電流為4.5 A，頻率為5～10 Hz，激光光斑直徑為Φ0.15 mm。

由掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）觀測仿生圓柱滾子試件表面可知，黑色條紋為激光掃描區(qū)域，而白色部分為未進行激光掃描的區(qū)域（圖2（b））。經放大圖像觀察發(fā)現，黑色條紋處發(fā)生了激光淬火現象，從仿生試件外圓面依次向里為淬火硬化層、過渡層和基體；硬化層的主要組織為馬氏體M和殘余奧氏體Ar，過渡層的主要組織為珠光體P和馬氏體M，基體的主要組織為珠光體P和鐵素體F（圖3）。仿生試件的次表層硬度值最高，為400 HV左右；而基體的硬度值最低，約為200 HV。

圖1 圓柱滾子試件Fig.1 Cylindrical roller specimen

圖2 貝殼表面與仿生試件表面Fig.2 Surface of shell and excircle surface of bionic roller

圖3 圓柱滾子試件斷面形貌Fig.3 Cross section of specimen

1.2 圓柱滾子試件的對滾試驗

1.2.1 對滾試驗過程

圓柱滾子試件的對滾試驗在MM?200型磨損試驗機上進行，對滾時試驗機的上軸分別裝卡9個仿生試件（1～9號）、1個全表面激光淬火試件（10號，用激光處理整個試件的工作表面）和1個未處理試件（11號）；試驗機的下軸分別裝卡11個相同的對滾件（普通淬火件，450 HV）。

為了模仿閉式齒輪在潤滑狀況下既有滾動又有微小滑動的傳動特點，對滾時手動加載300 N，試驗機的上、下兩軸選用不同的旋轉方向（見圖1）和不同的旋轉速度，其中上軸轉速選為360 r／min，下軸轉速選為400 r／min。每隔30 min潤滑一次圓柱滾子試件，同時測量一次上軸試驗件的質量。當仿生圓柱滾子試件外圓面上的仿生表面形態(tài)即將消失時停止試驗，最后記錄每對滾子試件累計運行了4 h。采用下式

來計算試驗件的磨損量和磨損率，得到了表2所示的試驗結果。式中：W表示試件的磨損量，W0表示試件在試驗前的質量，W1表示試件在試驗后的質量，ε%表示試件的磨損率。從所有圓柱滾子試件的磨損量和磨損率對比圖（圖4、圖5）可以看出，仿生圓柱滾子試件的磨損量和磨損率均小于激光淬火圓柱滾子試件和普通圓柱滾子試件，其中耐磨性最好的是2號試件（仿生圓柱滾子試件），耐磨性最差的是11號試件（普通圓柱滾子試件），試件耐磨性能從優(yōu)到劣的排序為：2號＞1號＞7號＞8號＞4號＞6號＞3號＞5號＞9號＞10號＞11號。

圖4 11個圓柱滾子試件的磨損量對比Fig.4 Comparison of wear volume of 11 rollers

圖5 11個圓柱滾子試件的磨損率對比Fig.5 Comparison of wear rate of 11 rollers

1.2.2 結果分析

采用極差法［9］對上述正交試驗的結果進行分析，見表2，影響試件耐磨性的主次因素分別為B（掃面速度）、A（條紋寬度）、C（條紋周向中心距）；優(yōu)水平分別為A1、B2、C2；最佳組合為A1B2C2。

主次因素說明激光掃描速度對滾子試件耐磨性的影響最為顯著，條紋寬度次之，條紋周向中心距最小。掃面速度影響試件硬化層（條紋區(qū)域）的深度，硬化層越深的試件耐磨性和抗疲勞性能越高。條紋寬度和周向中心距的數值應在一個合理的范圍內，不同的數值會對試件的耐磨性和疲勞壽命造成不同程度的影響。

表2 仿生圓柱滾子試件磨損率的正交試驗結果分析Table2 The results of orthogonal experiment of rollers

1.3 仿生齒輪的制備

普通齒輪是在精磨以后不經任何熱處理而獲得的齒輪，輪齒表面保持光滑。仿生齒輪是用激光表面毛化處理機把優(yōu)選出的2號試件的仿生表面形態(tài)制備到齒輪的輪齒表面而得到的齒輪。其中，齒輪材料為45鋼；模數為4 mm；齒輪精度等級為6級；齒寬為20 mm；大齒輪齒數為27，變位系數為0.138 7，分度圓直徑為Φ108 mm；小齒輪齒數為18，變位系數為0.26，分度圓直徑為Φ72 mm。

2 仿生齒輪與普通齒輪的傳動試驗

2.1 試驗過程

用CL?100A齒輪試驗機分別進行普通齒輪和仿生齒輪的嚙合傳動試驗。試驗時，首先進行2 h的空載跑合，然后根據齒輪材料和熱處理情況分2個階段完成加載傳動試驗。第1階段往小齒輪上加載扭矩38.22 N·m，并將試驗機轉速調為1 450 r／min，試驗機累計運行4 h；第2階段往小齒輪上加載扭矩48.02 N·m，轉速同樣采用1 450 r／min，累計運行8 h。2.2 試驗結果分析

普通齒輪和仿生齒輪在進行了1.218×106次循環(huán)接觸后所有齒面均出現了蝕坑，蝕坑出現的位置不固定，但大多位于分度圓附近。本文通過顯微鏡直接觀測法來測算試驗齒輪的單齒點蝕面積率，進而衡量輪齒的點蝕程度，觀測設備為VHX?900超景深三維顯微系統(tǒng)，觀測結果見圖6、7。

普通大齒輪與普通小齒輪的平均單齒點蝕面積率分別為1.26%、1.55%，而仿生大齒輪與仿生小齒輪的平均單齒點蝕面積率分別為0.58%、1.04%。從圖8可以看出，仿生齒輪的蝕坑較稀疏、較少，而普通齒輪的蝕坑較密集、較多。這說明本文設計的具有一定深度和寬度的、軟硬相間的仿生表面形態(tài)提高了齒輪的抗接觸疲勞性能。

圖6 大齒輪的點蝕面積率對比Fig.6 Comparison of single tooth pitting area ratios of gearwheels

圖7 小齒輪的點蝕面積率對比Fig.7 Comparison of single tooth pitting area ratios of pinions

圖8 普通齒輪與仿生齒輪點蝕的對比Fig.8 Comparison of pitting between regular gears and bionic gears

3 仿生齒輪的抗接觸疲勞機理分析

研究表明，仿生齒輪表面的微小仿生單元可以儲存潤滑油，形成“微油池”，改善了輪齒的潤滑條件［10］；經進一步EDS分析，發(fā)現大量的磨屑產物在凹坑中富集（見圖9），證明仿生單元還具有存儲碎屑的作用，從而降低輪齒的磨損。

仿生齒輪輪齒表面的仿生單元擴大了輪齒的表面積，提高了輪齒的散熱性，從而能較好地消除輪齒升溫后帶來的不良影響。

仿生齒輪輪齒表面均勻分布的微小仿生單元能有效彌散和阻塞輪齒表面材料的滑移運動，降低疲勞裂紋在仿生單元內萌生的幾率，阻斷和減弱疲勞裂紋的傳播進程［11］（如圖10所示）；而激光淬火技術使輪齒表面層的晶粒細化、硬度提高［12］。

正是由于上述這些原因，使仿生齒輪的抗接觸疲勞性能得到了較大的提高。

另一方面，高接觸壓力環(huán)境下的齒輪嚙合，會在微坑邊緣出現局部壓力高峰，這是由于仿生單元與基體材料硬度不同，其抵御外部載荷的能力也不同，凹坑邊緣處于軟硬力學非光滑的交界區(qū)域，更易累積外部應力而產生應力集中。但在本文研究中，尚未在該區(qū)域發(fā)現過多裂紋、過大磨損產生的異常失效現象。這可能的原因是，激光淬火處理的凹坑邊緣區(qū)域在熱應力和相變應力的綜合作用下，產生了較大殘余壓應力，致使外部有害應力受到抵消，從而避免失效的過早發(fā)生。而隨著接觸循環(huán)次數的提高，裂紋出現并擴展至仿生單元，在受到單元體的阻滯后，擴展的能量被分散，擴展驅動力減小直至裂紋終止，從而使齒輪的接觸疲勞性能顯著改善。

關于仿生凹坑周圍應力分布對齒輪接觸疲勞性能的影響，將在今后的研究中進一步探討。

圖9 凹坑區(qū)域EDS成分分析Fig.9 EDS analysis in the concave zone

圖10 阻斷作用和減弱作用Fig.10 Blocking effect and weakening effect

4 結論

本文以潮間帶貝類為仿生對象設計了9種仿生表面形態(tài)，通過仿生圓柱滾子試件的對滾模擬齒輪的嚙合傳動，并從中選出最優(yōu)的仿生表面形態(tài)，進而制備了仿生齒輪；通過齒輪試驗機分別對普通齒輪和仿生齒輪進行了嚙合傳動試驗。由此，得出以下主要結論：

1）利用激光微區(qū)處理技術制備的仿生齒輪的抗接觸疲勞性能要明顯優(yōu)于普通齒輪。

2）通過對仿生齒輪的抗接觸疲勞機理進行分析，得知仿生齒輪表面的微小仿生單元能改善輪齒的潤滑條件、存儲碎屑、增大輪齒的散熱面積、阻斷和減弱疲勞裂紋的傳播進程以及激光淬火使輪齒表面組織細化、硬度提高等是提高仿生齒輪抗接觸疲勞性能的主要原因。

本文不僅擴展了仿生學的應用范圍，而且為工程仿生技術在齒輪上的實際應用打下了一定的基礎。

［1］MARKOVICS L，MILOVIC L，VRHOVAC M，et al.Life extension of gears flank surfaces regenerated by hard facing［J］.Metalurgia International，2013，18（2）：81?85.

［2］YU Y X，HEBL，SHAO E Y.Research on contact fatigue properties of some materials used for heavy load gear［J］.Advanced Materials Research，2011，139?141：360?363.

［3］LI Y B，JIANG T，ZHENG P.A new method for hardened gears machining?ausformfinishing process［J］.Advanced Ma?terials Research，2011，279：291?295.

［4］PEDERSEN N L.Improving bending stress in spur gears u?sing asymmetric gears and shape optimization［J］.Mecha?nism and Machine Theory，2010，45（11）：1707?1720.

［5］MEHEUX M，MINFRAY C，VILLE F，et al.Effect of lubri?cant additives in rolling contact fatigue［J］.Journal of Engi?neering Tribology，2010，224：947?955.

［6］楊卓娟.凹坑形仿生非光滑軋輥耐磨性研究［D］.長春：吉林大學，2006：93?98.YANG Zhuojuan.Research of wear?resistance on roller with biomimetical non?smooth concave surface［D］.Changchun：Jilin University，2006：93?98.

［7］張志輝，任露泉，周宏，等.抗熱疲勞仿生耦合制動轂的激光加工參數［J］.吉林大學學報：工學版，2009，39（4）：953?958.ZHANG Zhihui，REN Luquan，ZHOU Hong，et al.Laser processing parameter optimization and application of biomim? etic coupling brake drum with high thermal fatigue resistance［J］.Journal of Jilin University：Engineering and Technology Edition，2009，39（4）：953?958.

［8］JIA Z X，LI J Q，LIU L J，et al.Performance enhancements of high?pressure die?casting die processed by biomimetic la?ser?remelting process［J］.International Journal Of Advanced Manufacturing Technology，2012，58（5?8）：421?429.

［9］鄧寶清，任露泉，蘇巖，等.模擬活塞缸套摩擦副的仿生非光滑表面的摩擦學研究［J］.吉林大學學報：工學版，2004，34（1）：79?84.DENG Baoqing，REN Luquan，SU Yan，et al.Tribological study on bionically unsmoothed surface modeling piston?cyl?inder friction pair［J］.Journal of Jilin University：Engineer?ing and Technology Edition，2004，34（1）：79?84.

［10］SURYA P M，ANDREAS A P.Tribological studies of un?polished laser surface textures under starved lubrication conditions for use in air?conditioning and refrigeration com?pressors［J］.Tribology International，2011，44（12）：1890?1901.

［11］韓志武，呂尤，牛士超，等.仿生表面形態(tài)對齒輪彎曲疲勞性能的影響［J］.吉林大學學報：工學版，2011，41（3）：702?705.HAN Zhiwu，LYU You，NIU Shichao，et al.Bending fa?tigue strength of gear surface with grid micro?morphology［J］.Journal of Jilin University：Engineering and Technolo?gy Edition，2011，41（3）：702?705.

［12］石娟，戴忠森.激光淬火齒輪的疲勞壽命和耐磨性機理分析［J］.機械傳動，2005，29（2）：57?60，57.SHI Juan，DAI Zhongsen.The mechanism analysis of fa?tigue life and wear resistance of laser hardening gears［J］.Journal of Mechanical Transmission，2005，29（2）：57?60，57.

Experimental study on contact fatigue resistance of bionic gears

HU Yong1，3，ZHANG Yongsheng2，ZHANG Zhihui3，HAN Zhiwu3，REN Luquan3
（1.School of Mechanical Science and Engineering，Jilin University，Changchun 130022，China；2.Department of Testing and Certifi?cation，Pan Asia Technical Automotive Center，Shanghai 201201，China；3.Key Laboratory of Bionic Engineering，Ministry of Educa?tion，Jilin University，Changchun 130022，China）

In order to improve the contact fatigue resistance of gears，based on the biological coupling wear?resisting principle，nine kinds of stripy bionic surface morphologies and soft and hard alternated structure were designed by imitating the surface of intertidal shellfish.Bionic cylindrical rollers were fabricated using micro?area processing technology by laser texturing machine.The transmission of two gears was simulated by rolling of two rollers.The op?timum technological parameters and morphological data were obtained by orthogonal experiment and its optimization method，and then the bionic gears with good environmental adaptability and practicability were fabricated.The reg?ular gears and bionic gears are tested on the gear tester，respectively.The results indicated that the bionic gear shows better contact fatigue resistance than the regular gears by 20%.The comprehensive improvement of surface lubrication conditions，effective collection of chips，increase of heat dissipation area，and crack propagation block is the main reason for enhancement of the performance of bionic gear contact fatigue resistance.

bionic gear；contact fatigue；laser?quenching；engineering bionic；orthogonal experiment；meshing transmission；bionic cylindrical rollers

10.3969／j.issn.1006?7043.201311035

http：／／www.cnki.net／kcms／detail／23.1390.U.20150109.1659.021.html

TB17

A

1006?7043（2015）03?0379?05

2013?11?12.網絡出版時間：2015?01?09.基金項目：國家自然科學基金資助項目（51005097）.

呼詠（1966?），女，教授，博士.

呼詠，E?mail：huyong＠jlu.edu.cn.