起動機嚙合齒輪接觸疲勞強度試驗研究

摘要：嚙合齒輪接觸疲勞強度關(guān)系到起動機的整體使用壽命，對其試驗展開研究具有十分重要的意義。本文以“齒輪接觸疲勞強度試驗方法”為依據(jù)，進(jìn)行了起動機嚙合齒輪接觸疲勞強度試驗，對試驗結(jié)果進(jìn)行了分析，并提出了相關(guān)建議，如采用合金鋼、合理的心部硬度、提高表面硬度、提高齒根圓R角、降低齒廓表面粗糙度等措施，以延長齒輪的使用壽命。

關(guān)鍵詞：起動機；嚙合齒輪；接觸疲勞強度

1前言：

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展以及機械行業(yè)的不斷進(jìn)步，汽車制造業(yè)得到了迅猛的發(fā)展，對相關(guān)配件的要求也越來越高。而起動機作為汽車的重要組成部分，關(guān)系到汽車的整體使用性能及安全。其中，嚙合齒輪是起動機的關(guān)鍵配件，關(guān)系到起動機的使用壽命。基于此，筆者對起動機嚙合齒輪接觸疲勞強度試驗進(jìn)行了研究。

2 起動機驅(qū)動齒輪基本參數(shù)

為了滿足發(fā)動機的起動力矩和起動轉(zhuǎn)速，合理選擇傳動比是滿足以上條件的基本要求之一。起動機驅(qū)動齒輪的齒數(shù)一般為9～14齒，但個別情況齒數(shù)有少于7齒的，甚至5齒，多的可達(dá)到19齒。文章以某汽車大功率起動機為例，起動機驅(qū)動齒輪應(yīng)采用漸開線齒形，其齒輪參數(shù)如表1所示。在對損壞的起動機進(jìn)行解剖分析后發(fā)現(xiàn)很多起動機是由于嚙合齒輪損壞，而造成起動機不能正常工作。

2.1試驗依據(jù)

該試驗的依據(jù)是“齒輪接觸疲勞強度試驗方法”（GB/T14229-93），該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了測定漸開線圓柱齒輪接觸疲勞強度的試驗方法，以確定齒輪接觸承載能力所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。該標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍包括了起動機嚙合齒輪在內(nèi)的鋼鐵、鑄造鋼等材料的漸開線圓柱齒輪由齒面點蝕損傷而失效的試驗。

2.2試驗方法

2.2.1多次試驗并繪制R-S-N曲線

經(jīng)過多次反復(fù)的試驗，對起動機嚙合齒輪的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行測試，并繪制出R-S-N曲線（可靠度-應(yīng)力-壽命曲線），得出起動機嚙合齒輪的接觸疲勞極限應(yīng)力。試驗時取4～5個應(yīng)力級，每個應(yīng)力級別不少于3個試驗點（不包括越出點）。最高應(yīng)力有中的各試驗點的齒面應(yīng)力循環(huán)次數(shù)不少于10萬次。最高應(yīng)力級和第二高應(yīng)力級的應(yīng)力間隔為總試驗應(yīng)力范圍的30%～50%，隨著應(yīng)力的降低，應(yīng)力間隔逐漸減少。最低應(yīng)力級至少有2個試驗點標(biāo)出。

2.2.2通過試驗測定極限應(yīng)力

通過組合試驗測定S-N曲線或僅測定極限應(yīng)力。試驗時試驗點總數(shù)一般為5～10個。測定S-N曲線時，應(yīng)力級為3～5個，每個應(yīng)力級取1～2個試驗點。測定極限應(yīng)力時可采用升降法。采用正交法進(jìn)行對比試驗時，每個對比因素至少有3個試驗點。

2.3起動機嚙合齒輪試驗條件及試驗齒輪

起動機嚙合齒輪接觸疲勞強度試驗按以下規(guī)定的試驗條件和試驗齒輪進(jìn)行，并由此可確定起動機嚙合齒輪的接觸疲勞極限應(yīng)力σHlim。

①起動機嚙合齒輪專用試驗機。

起動機嚙合齒輪試驗采用“起動機疲勞試驗專用試驗機”，試驗機由試驗工作臺、試驗發(fā)動機和實驗臺控制裝置等組成。試驗機的精度應(yīng)不低于起動機嚙合齒輪所要求的精度，試驗機應(yīng)具有以下基本功能：1）齒輪斷齒或起動機損壞時自動停機；2）有保證齒輪有效嚙合的裝置；3）有保證齒輪自動嚙合和自動退出的裝置；4）試驗循環(huán)次數(shù)記錄裝置。

②實際的起動機嚙合齒輪作為試驗樣本。

在本試驗中，供作試驗用的齒輪是起動機專用齒輪，且與起動機作為一個整體進(jìn)行疲勞試驗。與起動機嚙合齒輪嚙合的是試驗用發(fā)動機的飛輪，設(shè)定發(fā)動機負(fù)荷為正常啟動負(fù)荷的1.5-2倍。

2.4接觸疲勞失效判據(jù)

2.4.1起動機嚙合齒輪失效判別方法

起動機嚙合齒輪接觸疲勞強度試驗是以齒面點蝕損傷程度作為接觸疲勞失效的判據(jù)。判別方法有以下兩種：

①單齒點蝕面積率RS=AS/ASW（1）

式中：RS———單齒點蝕面積率，%；

AS———起動機嚙合齒輪單個齒面上點蝕面積之和，單位mm2；

ASW———起動機嚙合齒輪單個齒面的工作表面積，單位mm2。

②齒輪副點蝕面積率RT=A1T/A1TW+A2T/A2TW（2）

式中：RT———齒輪副點蝕面積率，%；

A1T———起動機嚙合齒輪副主動輪全部點蝕面積之和，單位mm2；

A2T———起動機嚙合齒輪副被動輪全部點蝕面積之和，單位mm2；

A1TW———起動機嚙合齒輪副主動輪各齒工作表面積之和，單位mm2；

A2TW———起動機嚙合齒輪副被動輪各齒工作表面積之和，單位mm2。

2.4.2起動機嚙合齒輪失效判別準(zhǔn)則

起動機嚙合齒輪是非表面硬化齒輪，點蝕一般總是在所有齒面上出現(xiàn)。當(dāng)起動機嚙合齒輪副的硬度相等或相近時，它們的點蝕損傷極限為：RT=2%（3）當(dāng)起動機嚙合齒輪齒輪副點蝕面積率達(dá)到式（3）的點蝕損傷極限時，即判定該齒面失效。

2.5起動機嚙合齒輪疲勞試驗

試驗操作過程如下：①將試驗用起動機安裝在實驗臺上，發(fā)動機配置可調(diào)式負(fù)載箱。②啟動起動機，起動機與飛輪嚙合并啟動發(fā)動機，可強制風(fēng)冷起動機外部，以防起動機過熱損壞。③發(fā)動機工作5s后起動機停止工作，關(guān)閉發(fā)動機，完成一次啟動操作。④停止25s后，重新啟動起動機，反復(fù)進(jìn)行以上試驗。

2.6起動機驅(qū)動

齒輪疲勞損壞的危險位置本試驗對起動機嚙合齒輪在相應(yīng)工作負(fù)荷條件下，發(fā)生在齒根處殘余應(yīng)力的變化情況進(jìn)行了研究，彎曲疲勞試驗在一定的循環(huán)次數(shù)時停止，測定殘余應(yīng)力，測定位置“ρ”在齒輪斷面的危險截面和齒形曲線的交叉點上（如圖1）。

3.試驗結(jié)果分析

3.1疲勞試驗結(jié)果

疲勞試驗需要反復(fù)循環(huán)進(jìn)行，并在完成一定次數(shù)試驗后，停止循環(huán)，在危險斷面和齒形曲線的交叉點附近測定齒跟圓柱切線方向的殘余應(yīng)力，同時觀察齒跟處和端面組織變化的，結(jié)果顯示在壓縮側(cè)分別出現(xiàn)晶格滑移帶的出現(xiàn)期和裂紋產(chǎn)生期，一定循環(huán)次數(shù)后按照標(biāo)準(zhǔn)判斷為失效。

如圖2所示是負(fù)荷P=400kg時，殘余應(yīng)力與循環(huán)次數(shù)關(guān)系圖。從圖3中可以看出在幾次循環(huán)之后產(chǎn)生殘余應(yīng)力，隨后殘余應(yīng)力隨著循環(huán)次數(shù)增加而增加，并逐漸趨于穩(wěn)定，在6萬次循環(huán)附近發(fā)生反轉(zhuǎn)，隨后殘余應(yīng)力在減少，因此可以看出此時齒面金屬組織正在發(fā)生微觀的變化。

3.2結(jié)論

通過大量試驗結(jié)果分析和齒輪疲勞破壞機理的研究，可以得出以下幾點結(jié)論。

①負(fù)荷大于疲勞極限時，起動機嚙合齒輪壓縮側(cè)發(fā)生晶格滑移帶和出現(xiàn)裂痕都比較早，疲勞破壞主要是表面裂痕破壞，而不是斷裂破壞。發(fā)生起動機嚙合齒輪破壞的重要原因是起動機過載，起動機經(jīng)常過載會大大降低起動機的使用壽命。

②當(dāng)齒輪出現(xiàn)交替載荷時，起動機嚙合齒輪壓縮側(cè)發(fā)生晶格滑移帶和出現(xiàn)裂痕都大大提前。出現(xiàn)交替載荷的原因是發(fā)動機驅(qū)動起動機旋轉(zhuǎn)。造成這種情況的原因主要由兩個方面，一是起動機單向離合器損壞，二是發(fā)動機啟動后長時間不關(guān)閉啟動開關(guān)（點火開關(guān)）。

③由于起動機工作的特點和載荷的不確定性，起動機嚙合齒輪的實際壽命往往大大低于齒輪的疲勞試驗壽命。本次試驗對此進(jìn)行了改進(jìn)，但是準(zhǔn)確地判斷起動機嚙合齒輪壽命仍有一定的難度。通過大量試驗分析，建議齒輪壽命確定在殘余應(yīng)力發(fā)生拐點的次數(shù)，如圖2所示的6萬次左右。

④增加起動機嚙合齒輪強度和表面硬度可以大大增加齒輪的使用壽命，建議起動機嚙合齒輪采用合金鋼，如20Cr2Ni4A、20CrMnTi、18CrNiMo，并進(jìn)行更有效的熱處理方式，保證齒輪心部硬度和表面硬度，以提高起動機嚙合齒輪的壽命。

⑤根據(jù)實際嚙合中心距等等的條件，適當(dāng)增加起動機驅(qū)動齒輪的齒根圓R角，減少根切現(xiàn)象，這樣可以延長齒輪的使用壽命。

⑥降低齒廓表面粗糙度，可以提高起動機嚙合齒輪的壽命。

4.結(jié)語

綜上所述，起動機嚙合齒輪是汽車起動機的重要配件之一，其損壞會對起動機的使用壽命產(chǎn)生巨大的影響。因此，需要對起動機嚙合齒輪進(jìn)行接觸疲勞強度試驗，并結(jié)合試驗結(jié)果，采取有效的措施降低起動機嚙合齒輪的損壞，從而提高起動機的使用壽命。

參考文獻(xiàn)：

[1]李添翼，武志斐，王鐵，王道勇.18CrNiMo滲碳齒輪接觸疲勞強度試驗研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程.2017（28）

[2]黃鵬飛，李駿，肖亞運.基于ADAMS的起動機嚙合齒輪的動力學(xué)仿真分析[J].機電信息.2016（15）

作者簡介：

謝德生，男，1967年生，廣東梅州人，大學(xué)專科，工程師。研究領(lǐng)域：質(zhì)量改進(jìn)和質(zhì)量管理。