滾壓強化齒輪的疲勞強度分析

0 引言

齒輪作為曲柄連桿機構的重要運動構件之一，在發動機內部的動力系統中，齒輪在高度運轉下會承受極大的彎曲應力，是維持發動機正常運行重要的零件之一

。滾壓強化技術能有效提高材料抗疲勞性能、耐磨損性能，增強齒輪性能

。本文基于滾壓強化技術，結合柴油機齒輪的實際工況進行疲勞試驗，對比強化工藝前后齒輪疲勞強度變化情況。

1 靜力學分析及夾具設計

齒輪輪齒在工作狀態下可以簡化懸臂梁，齒面法向載荷作用下，齒根處將產生彎曲應力。輪齒在周期性變化的彎曲應力作用下，在應力集中最嚴重的齒根處經常率先出現裂紋。隨著裂紋不斷的擴展，當有效承載面不足以支承時，裂紋會迅速擴展，甚至發生輪齒斷裂。因此，對齒輪彎曲疲勞強度進行研究具有重要的意義。

GB/T14230-1993 《齒輪彎曲疲勞強度試驗方法》規定了兩種方法：(1)A 試驗法—齒輪臺架運轉試驗，將試驗齒輪副安裝在齒輪試驗機上進行負荷運轉試驗；(2)B試驗法—齒輪單齒脈動加載試驗，在脈動疲勞試驗機上利用專門的夾具，對試驗齒輪的輪齒進行脈動加載，直至輪齒出現彎曲疲勞失效或越出。本項目采用B試驗法—齒輪單齒脈動加載，加載壓頭采用厚實的鋼塊以保證剛度，載荷作用在輪齒接近齒頂的齒面上，同時施加在輪齒上的載荷作用線與試驗齒輪的基圓相切，圖1為單齒加載夾具。

枇杷(Eriobotrya japonica)又名盧橘，屬薔薇科枇杷屬植物，是一種具有藥用價值的小型亞熱帶常綠果樹。枇杷原產于我國東南部，在我國已經有了2 200多年的栽培歷史，主要分布在華東、中南和西南地區[1]，另外在日本、西班牙、土耳其、巴西等國家也有種植和栽培[2]。枇杷的果實、核仁、葉子、花均可入藥，具有潤肺止咳、降逆止嘔的作用[3]。目前已經從枇杷中分離出黃酮類、酚類、萜類和苦杏仁苷等成分，其藥理作用主要集中在抗氧化、抗炎止咳、抑菌、抗腫瘤、保護胃黏膜、降血糖和抗過敏等方面。本文對枇杷主要生物活性成分及藥理作用進行全面深入的概括，以期為枇杷資源的綜合利用提供科學依據及參考。

為提高試驗效率、盡可能減少不必要的試驗次數，合理選取齒輪疲勞試驗時的彎矩載荷范圍就顯得尤為重要，本文基于柴油機齒輪的最大屈服應力值對齒輪疲勞試驗的初始彎矩進行范圍界定。

(1)確定試驗中發動機結構所受的疲勞載荷和要求滿足的剩余強度

。

通過對齒輪疲勞試驗的靜力學有限元分析，可準確定位設計的夾具對疲勞試驗部件所產生集中載荷的具體位置，明確齒輪應力集中現象的具體聚集方位，同時可協助齒輪疲勞試驗選擇恰當的加載力范圍，為提高試驗效率提供參考依據

。依據齒輪設計方案進行了網格劃分。如圖3所示。在進行網格劃分時，對應力集中部位，即計算數據變化梯度較大的部位，劃分較細的網格。劃分網格時考慮選取網格大小為2mm。齒輪整體結構網格劃分節點數及單元數分別為656201，458325。網格質量系數為0.8216，網格劃分質量好。

2 齒輪疲勞強度試驗

本文中重合點是指兩個坐標系下均有坐標成果的固定控制點。仙居縣國土資源空間數據多以1980西安坐標系為主，因此重合點必須同時具有1980西安坐標系和2000國家大地坐標系的坐標值。重合點選取的基本原則為等級高、精度高、局部變形小、分布均勻、覆蓋整個轉換區域[8]。選取的重合點要分析其現勢性，對測量年代已久的重合點要實地進行坐標檢核，若重合點存在現勢坐標與原測量坐標較差超限的，則剔除不用。經收集，仙居縣滿足以上要求的重合點有GNSS C級點，共18個。

我省地處黃土高原，是全國水土流失最嚴重的省份之一，水土流失面積10.8萬平方公里，占總土地面積的69%。面對生態窘境，我省水土保持投入力度不斷加大，治理范圍不斷擴大，尤其是中央水利發展資金水土保持、坡耕地水土流失綜合治理、黃土高原固溝保塬、京津風沙源水土保持等重點工程項目，綜合治理成效顯著。永和的紅棗、石樓的核桃、隰縣的玉露香梨……給群眾帶來了實實在在的獲得感、幸福感。

(2)進行疲勞裂紋試驗時，疲勞壽命選取較高，壽命級差要符合要求。當試驗的循環周次到達選定壽命而試件未破壞，則對試件采取靜態強度試驗，將靜態強度試驗中的最大載荷作為試件的剩余強度

，若

<

，即為“破壞”;若

≥

，即為“越出”。分別為試件到達疲勞壽命后未斷裂且仍滿足剩余強度和不滿足剩余強度。若試樣未到達選定疲勞壽命就發生斷裂，直接認為“破壞”。

本試驗所用的PLG系列高頻疲勞試驗機，試驗頻率范圍(Hz)：80—250(Hz)，最大靜態試驗力±100kN，最大動負荷(峰值)：50kN。采用非運轉式高頻脈動齒輪試驗機進行齒輪輪齒彎曲疲勞試驗，整個試驗過程中，試驗齒輪始終處于靜止狀態，而壓在輪齒上的壓頭作脈動循環加載，從而使輪齒產生疲勞折斷。圖2 為齒輪疲勞試驗夾具。

各種疲勞試驗方法的試驗時間和試驗精度各不相同，應該根據具體情況選擇合適的方案。本試驗根據試驗原理和組織規劃的要求，采用配對升降法進行疲勞測試。

批改作業：教師批改主觀題給出分數或等級，必要時還可以利用學習通直播功能或者錄制講解小微課，主動推送給學生，方便學生隨時隨地收看，更好的學習和提高。

配對升降法要求有效數據6對以上，應力水平保持在4到5級之間，兩級應力差穩定在5%以內。循環次數要求在10

～10

次之間。配對升降法具體步驟如下：

(3)當試件發生“破壞”，則將選取的疲勞壽命降低一級，后續的一個試件重復之前同樣載荷的疲勞試驗和靜態強度試驗，根據試驗結果判斷試驗為“越出”或“破壞”。若試件發生“越出”，則將疲勞壽命升高一級，后續試驗步驟同發生“破壞”時一致。直到試驗結束。

如，在機械制圖課程中，教師可以結合準備好的圖紙引導學生欣賞，然后再針對性地提出問題，吸引學生，讓學生們可以全身心地投入其中。當學生真正地融入到主體角色以后，其學習積極性和學習潛能是很難估量的。之后，借助導入，將教師教學和學生學習巧妙地融合起來，循序漸進、層層深入地達到教學的目標。

(4)有效數據要從兩個數據點第一次出現相反結果開始記錄。當試驗中產生3～6對有效數據時，根據有效數據的終點為“越出”或“破壞”，預測到在試樣壽命某一級上也存在一個數據點，若這個數據點與有效數據的起點位于同一壽命級上，則試驗數據閉合。

配對升降法規定當試樣所受應力水平是定值時，試樣經過1×10

循環而不發生破壞，則認為在該定值應力下試樣的壽命是無限的，規定這一應力水平為試樣的疲勞強度。把材料疲勞強度的5%當作應力臺階

，把材料屈服強度的60-70%當作初始應力水平

。在應力

下進行第一個試驗，如果在該應力水平下試樣發生破壞，則說明其疲勞壽命低于1×10

循環次數，因此下一個試樣的試驗應力要下調到

-

，反之下一個試樣試驗應力要上調到

+

。首個除外，每個試樣應力水平都由上一個試樣壽命是否超過1×10

循環次數來決定。試驗中，當第

個試樣發生破壞，則第

+1個試樣降低一級應力水平，反之增加一個應力級別，直到試驗完成。初始應力水平的選取對試驗結果會產生重要的影響，當相鄰應力水平試樣首次出現相反結果時，開始升降法數據的統計，避免了初始應力水平選取不當。升降法要求升降圖閉合，假設升降法在第

次試驗結束，若繼續做試驗﹐則下一個試樣應力水平等于升降法數據統計開始時的應力水平，升降圖閉合從而整個試驗的應力水平都集中在疲勞強度附近。

(5)試驗數據符合規定的有效數據對數且數據閉合時，試驗結束。

根據配對升降法的特點，結合柴油機齒輪的要求，本試驗選擇配對升降法對柴油機內齒輪進行疲勞分析。

齒根的最大彎曲應力可根據有限元模擬進行計算，齒輪靜力學參數結果如圖4所示，在47kN的壓力工況下，齒輪應力集中部分主要在受壓齒的齒根部分，齒根最大等效應力達到742.1MPa，尚未達到材料的屈服強度(950MPa)。

3 試驗結果分析

當齒輪的疲勞次數達到10

時，若試樣仍未發生破壞，即判定該試樣通過考核，認為其擁有無限疲勞壽命，實驗記錄視作“越出”。特別地，疲勞試驗中齒輪試樣的失效形式不一定是某一部分與整體完全分離式的斷裂，在試驗中，只要內部裂紋發生萌生與擴展，疲勞試驗的試樣頻率便會發生一定改變。在本次試驗中，當裂紋擴展到一定程度，使得疲勞試驗的頻率產生1 Hz以上的變動時，即判定零件內部已發生斷裂，齒輪已經發生失效。

采用升降法測定齒輪的疲勞極限相關數據

。齒輪試件的疲勞試驗根據是否進行滾壓處理分為兩組，每組試驗共選用12個齒輪。疲勞試驗的數據如表1、表2 所示。圖5、圖6 為齒輪彎曲疲勞試驗升降圖。

結果表明，未做滾壓強化處理齒輪的中值載荷為最大載荷 F=33 kN，齒輪的疲勞強度為：602 MPa；強化處理齒輪齒輪的中值載荷為最大載荷 F=42 kN，齒輪的疲勞強度為：725 MPa。對比實驗結果可以發現，滾壓機械表面強化技術能夠有效提高齒輪約17%的抗疲勞性能，對延長齒輪使用壽命、增大安全系數有明顯作用。

要從根本上解決地名檢索中的地理空間的層次結構特性和地名表達的模糊性，就必須結合地名描述、地理空間、計算機、網絡等相關知識和技術，從整體上進行把握，構建基于地名本體的語義網實現基于語義的地名檢索服務[2]。

4 總結

本項目結合發動機齒輪實際的工況受力，進行系統性的疲勞試驗，對比滾壓強化工藝前后齒輪疲勞強度變化情況，分析滾壓技術對齒輪疲勞壽命的影響關系。通過靜力學有限元分析，確定所設計夾具對疲勞試驗部件施加載荷的集中發生位置，協助疲勞試驗選擇合理的加載力范圍。未做滾壓強化處理齒輪的中值載荷為最大載荷 F=33 kN，齒輪的疲勞強度為：602 MPa；強化處理齒輪齒輪的中值載荷為最大載荷 F=42 kN，齒輪的疲勞強度為：725 MPa。仿真模擬的結果與試驗數據吻合較好。結果表明滾壓強化技術提升了齒輪約20%的疲勞極限，有效提高了齒輪的抗疲勞能力。

[1]彭超,張芳,梁國祥,陳飛,常超.滾壓強化連桿的疲勞強度分析[J].內燃機與配件,2021(19):62-63.

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