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彎曲疲勞性能是評(píng)價(jià)齒輪承載能力的一項(xiàng)重要指標(biāo)，而噴丸強(qiáng)化是提高齒輪彎曲疲勞性能的有效手段，國內(nèi)外很多機(jī)構(gòu)對(duì)影響齒輪彎曲疲勞性能的因素進(jìn)行過研究。原一汽技術(shù)中心曾自行設(shè)計(jì)開發(fā)了齒輪彎曲疲勞試驗(yàn)裝置，針對(duì)強(qiáng)化噴丸工藝對(duì)齒輪彎曲疲勞性能的影響進(jìn)行了研究 ， 認(rèn)為噴丸強(qiáng)化齒輪齒根殘余應(yīng)力達(dá)到1000MPa時(shí)較未噴丸齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度可以提高10%；重慶大學(xué)樊毅嗇等人研究了噴丸強(qiáng)化對(duì)齒根殘余應(yīng)力 的影響，認(rèn)為噴丸強(qiáng)化可以提高齒輪彎曲疲勞性能；西北工業(yè)大學(xué)徐穎強(qiáng)等研究了噴丸強(qiáng)化對(duì)齒輪殘余應(yīng)力的影響，并對(duì)齒面殘余應(yīng)力分布情況進(jìn)行了測(cè)試研究。本文通過齒輪彎曲疲勞試驗(yàn)研究了齒輪材料表面噴丸強(qiáng)化工藝對(duì)齒輪彎曲疲勞性能的影響。 

 

齒輪彎曲疲勞試驗(yàn)

 

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

圖1  試驗(yàn)夾具示意

 

試驗(yàn)齒輪基本參數(shù)：試驗(yàn)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(jī)，丸速80m/s，丸粒直徑0.8mm，覆蓋率為200%；殘余應(yīng)力測(cè)試設(shè)備為X射線應(yīng)力儀X3003，測(cè)試方法為X射線衍射法。

試驗(yàn)齒輪主要參數(shù)見表1，

試驗(yàn)齒輪的宏觀形貌見圖2，

試驗(yàn)齒輪力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果見表2，

化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果見表3。

 

 

試驗(yàn)過程：試驗(yàn)設(shè)備為Zwick15噸高頻試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)應(yīng)力比r為 0.05，試驗(yàn)頻率為105Hz。為了比較噴丸與未噴丸齒輪的疲勞強(qiáng)度及S-N曲線斜率，分別測(cè)試2種齒輪的S-N曲線進(jìn)行比較。采用分組法測(cè)試S-N曲線的斜線段部分，應(yīng)力級(jí)別5個(gè)以上，成組數(shù)據(jù)點(diǎn)在8個(gè)以上；利用升降法測(cè)試曲線疲勞強(qiáng)度極限，條件疲勞極限壽命為300萬次，有效數(shù)據(jù)在10個(gè)以上。

 

試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)處理

 

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

 

 利用肖維奈（Chauvenet）準(zhǔn)則對(duì)各組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行可疑數(shù)據(jù)取舍處理，具體過程參見文獻(xiàn)。

   

 其中噴丸齒輪各組試驗(yàn)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(shí)對(duì)數(shù)壽命；up為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)偏量；s為標(biāo)準(zhǔn)差；NP為存活率為p時(shí)壽命。

 

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

 

 

升降法試驗(yàn)結(jié)果：利用升降法測(cè)試的兩種工藝的疲勞強(qiáng)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(jì)算：根據(jù) GB/T 14230—1993 中公式計(jì)算各載荷下的實(shí)際齒根應(yīng)力。

                       （4）

 

      式中，σ,F為實(shí)際齒根應(yīng)力；Ft為端面內(nèi)分度圓周上的名義切向力；YFE為載荷作用下 E 點(diǎn)時(shí)的齒形系數(shù)；YSE為載荷作用于 E點(diǎn)時(shí)的應(yīng)力修正系數(shù)；b為齒寬；m為模數(shù)；YST為齒輪的應(yīng)力修正系數(shù)；YδrelT為相對(duì)齒根圓角敏感系數(shù)；YRrelT為相對(duì)齒根表面狀況系數(shù)；YX為計(jì)算彎曲強(qiáng)度的尺寸系數(shù)。

     

按上式計(jì)算各試驗(yàn)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(jì)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(duì)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(shí)S-N曲線公式為S=2 392.1N-0.075（r=0.956 9）；

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

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

    d.P=99% 時(shí)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(shí)S-N曲線公式為S=1 982.9N-0.077（r=0.998 9）；

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

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

    d.P=99% 時(shí)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(yàn)齒輪采用相同的材料，相同的機(jī)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(qiáng)化效果的一致性。

 

      b. 試驗(yàn)條件，噴丸與未噴丸的試驗(yàn)齒輪在同一臺(tái)高頻試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行彎曲疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)夾具為單齒齒頂加載，保證了每次試驗(yàn)時(shí)加載位置的一致性。

 

      c.試驗(yàn)樣品數(shù)，為了解決試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)數(shù)據(jù)在12個(gè)左右，保證了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。

 

      d. 齒根應(yīng)力計(jì)算，齒根應(yīng)力計(jì)算采用國標(biāo) GB/T 14230 中的計(jì)算方法，由于噴丸與未噴丸齒輪幾何參數(shù)相同，計(jì)算時(shí)選取的參數(shù)一致，應(yīng)力計(jì)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(cè)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(cè)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(yàn)齒輪經(jīng)過噴丸表面強(qiáng)化處理后其彎曲疲勞強(qiáng)度比未經(jīng)噴丸處理齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度提高30%。