李智敏

(廣州廣電運通金融電子股份有限公司，廣東 廣州 510663)

高強度齒輪單齒彎曲疲勞強度試驗

李智敏

(廣州廣電運通金融電子股份有限公司，廣東 廣州 510663)

對兩種低碳合金結(jié)構(gòu)鋼制成的實際齒輪，選擇滲碳淬火加噴丸這種典型的表面強化工藝進行強化，通過試驗發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有設(shè)計手冊存在的一些問題，研究高強度齒輪經(jīng)表面強化后材料疲勞特性的變化情況。

齒輪；單齒彎曲；疲勞強度

0 引言

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

1 20MnCr5齒輪試驗

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，抗拉強度930 MPa。材料的化學成分質(zhì)量分數(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材料的化學成分 單位：%

做試驗前，我們采取兩種方法對經(jīng)表面強化的齒輪抗拉強度進行預測。

第一種預測方法：根據(jù)熱處理條件和硬化層深度采用查手冊圖表方法，預測抗拉強度為1 847 MPa。

第二種預測方法：根據(jù)表面強化后的齒輪硬度，對照Wilson表，將硬度轉(zhuǎn)化成抗拉強度，估算齒輪的最大抗拉強度為2 305 MPa。

1.1 靜強度試驗

齒輪試驗均在德國產(chǎn)Roell Amsler HFP100型高頻疲勞試驗機上完成。最大加載載荷10 t，試驗用加載頻率為74 Hz，試驗地點及試驗齒輪的裝夾形式如圖1所示。對齒輪材料施加靜壓直到斷裂，試驗3個齒測定單齒斷裂的載荷F。若3組測得的數(shù)據(jù)差別較大，則需另取齒進行壓斷，以減少誤差。試驗結(jié)果如表2所示。

圖1 試驗地點及齒輪的裝夾形式

齒輪的靜壓斷裂載荷為26.4 kN(1 kN對應86.35 MPa)，屈服強度為1 700 MPa，靜強度均值為2 279.6 MPa。將兩種預測結(jié)果與試驗結(jié)果對比，第一種查表預測誤差23.4%，第二種根據(jù)硬度轉(zhuǎn)化抗拉強度誤差1.1%。說明第二種方法預測方法準確性很高，在工程設(shè)計中，宜根據(jù)零件的硬度估算其抗拉強度。

1.2 疲勞試驗

疲勞試驗仍在Roell Amsler HFP100型高頻疲勞試驗機上進行。試驗時循環(huán)比r取0.11，加載頻率取74 Hz。所有齒輪的疲勞試驗中，若加載頻率下降5 Hz或輪齒發(fā)生斷裂則認為該齒輪發(fā)生了失效，將失效時對應的應力循環(huán)次數(shù)NO作為齒輪彎曲疲勞壽命。當NO超過300萬次后停止，認為該應力下齒輪不發(fā)生疲勞破壞。

表2 20MnCr5材料靜強度試驗結(jié)果

合金結(jié)構(gòu)鋼S—N曲線在中壽命段處，雙對數(shù)坐標下是一條直線。選取幾組當量應力對其加載，試驗結(jié)果如表3所示。

對齒輪的試驗數(shù)據(jù)進行處理，得到失效率為50%時的單齒彎曲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)，接著稍微降低應力到1 100 MPa以下時，試驗中循環(huán)數(shù)均超過300萬次而未失效，所以可認為廠家提供的疲勞極限是準確的，該齒輪疲勞極限確實為1 100 MPa左右。

試驗中發(fā)現(xiàn)，當齒輪彎曲疲勞壽命大于十幾萬次后，應力的微小變化就會造成疲勞壽命的巨大變化，甚至不會失效。試驗發(fā)現(xiàn)，按常規(guī)材料的S—N曲線測定方法很難測到單齒彎曲疲勞壽命為40 100萬次左右的應力。

表3 20MnCr5材料疲勞試驗結(jié)果

注：*表示超過該循環(huán)未失效。

2 20CrMnMo齒輪試驗

另取材料為20CrMnMo的齒輪為研究對象。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)超聲波進行探傷，未發(fā)現(xiàn)有缺陷。

齒輪材料的化學成分如表4所示。

表4 20CrMnMo材料的化學成分 單位：%

做試驗前，為證明上述試驗結(jié)論，仍采取兩種方法對經(jīng)表面強化的齒輪抗拉強度進行預測。

第一種預測方法：根據(jù)熱處理條件和硬化層深度查手冊圖表，預測齒輪的抗拉強度為1 395 MPa。

第二種預測方法：根據(jù)表面強化后齒輪硬度，對照Wilson表，將硬度轉(zhuǎn)化成抗拉強度，估算齒輪的最大抗拉強度為1 742 MPa。

2.1 靜強度試驗

試驗在MTS880電液伺服疲勞試驗機上完成。分別在不同齒輪上隨機抽取不同的齒進行靜壓試驗，加載的速度為0.1 kN/s。在試驗過程中，每隔1 s記錄一次試驗的載荷及位移，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，在靜壓試驗過程中齒輪的塑性變形不明顯，基本上是脆斷過程。靜強度試驗結(jié)果如表5所示。

表5 20CrMnMo材料靜強度試驗結(jié)果

齒輪的靜壓斷裂載荷為55.18 kN，對應的靜強度值為1 785 MPa。將兩種預測結(jié)果與試驗結(jié)果對比，第一種查表預測誤差27.9%，第二種根據(jù)硬度轉(zhuǎn)化抗拉強度誤差5%。

2.2 疲勞試驗

試驗時加載頻率范圍為110～120 Hz，循環(huán)比r=0.15。所有齒輪疲勞試驗都以試驗機加載力下降到原加載力的40%～50%作為齒輪失效判據(jù)，將失效時的應力循環(huán)次數(shù)NO作為單齒彎曲疲勞壽命。當NO超過300萬次后停止，認為該應力下齒輪不發(fā)生疲勞破壞。

結(jié)果如表6所示。

表6 20CrMnMo材料疲勞試驗結(jié)果

注：*表示超過該循環(huán)未失效。

對齒輪的試驗數(shù)據(jù)進行處理，得到失效率為50%時的單齒彎曲S—N曲線方程：

σ=2 338.51-263.31lgN

(2)

由表6可知，當應力為830 MPa時，疲勞壽命為570 000次，而應力稍微低于814 MPa時，兩次試驗中一次循環(huán)數(shù)超過了300萬次而未失效，所以可認為熱處理后齒輪疲勞強度為814 MPa。

試驗中也同樣發(fā)現(xiàn)，當齒輪彎曲疲勞壽命大于幾十萬次后，應力的微小變化會造成疲勞壽命的巨大變化，甚至不會失效。試驗發(fā)現(xiàn)，按常規(guī)材料的S—N曲線測定方法很難測到單齒彎曲疲勞壽命為60 100萬次左右的應力。

3 結(jié)論

通過以上試驗，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。采用查圖表方法預測工藝處理后材料的強度特性，預測結(jié)果存在很大誤差。應根據(jù)硬度、強度轉(zhuǎn)化關(guān)系預測。

(2) 對經(jīng)表面強化的齒輪做疲勞試驗，疲勞失效的壽命循環(huán)次數(shù)均只達到幾十萬次，然后不斷降低應力，循環(huán)次數(shù)就超過300萬次而未失效。不同材料的兩組齒輪都存在這樣的問題，以前并沒有引起試驗人員的注意。

[1]石振華，陶印華，王越.大功率機車齒輪鋼(16Cr2Ni2A)性能的研究[J].馬鋼科技，1995(3)

[2]廖正中.滲碳齒輪鋼的沖擊—彎折性能與應用[J].川汽科技，1992(2)

[3]李建華.汽車齒輪輪鋼20MnCr5及其熱處理工藝研究[D].南京林業(yè)大學，2003

[4]朱傳有，楊永華.高速重在齒輪滲碳用鋼的選用[J].江蘇機械，1987(3)

2014-06-19

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