苗天祺,孫 鵬,李 寧,劉 洋,王明遠,焦傳雙

(中機試驗裝備股份有限公司,吉林 長春 130103)

1 引 言

齒輪傳動是依靠輪齒的嚙合傳遞運動和動力,有適應性廣、傳動比恒定、效率高、工作可靠、壽命長等諸多優(yōu)點。因此,齒輪是工業(yè)領域應用比較廣泛的機械傳動零件。正是因為齒輪的廣泛應用,對于其傳動失效的研究具有十分重要的意義。

齒輪傳動失效中,輪齒的彎曲疲勞是發(fā)生概率較高的失效形式,其造成的后果十分嚴重。齒輪彎曲疲勞為高周應力疲勞測試,試驗周期長、成本高,目前對于齒輪彎曲疲勞的研究多是基于不同仿真軟件評價齒輪性能。本文結合高頻加載下的齒輪彎曲疲勞測試,大幅提高試驗效率,縮短試驗周期,同時搭配定制齒輪彎曲疲勞夾具,對齒輪在高頻響下的彎曲疲勞特性進行了深入的研究。

2 齒輪彎曲疲勞試驗技術

2.1 試驗加載形式

齒輪彎曲疲勞的試驗形式包含嚙合運轉及脈動加載,實現齒根應力狀態(tài)和數值模擬,用以測定輪齒發(fā)生彎曲疲勞時的應力水平。加載示意圖[1]如圖1所示。

2.2 試驗夾具

結合齒輪彎曲疲勞加載形式,設計齒輪高頻疲勞夾具,如圖2所示。齒輪由調節(jié)板送入試驗位置,分別與上壓頭、支撐座接觸,并通過支撐軸進行輔助支撐定位,通過上壓頭的加載即可實現壓向彎曲疲勞試驗。夾具中的支撐軸起到輔助支撐、定位的作用,分散齒輪與下端支撐座的作用力,保證上壓頭接觸的輪齒受力最大,形成最終破壞位置。調節(jié)板上的長圓孔結構可以實現齒輪水平方向位置的調節(jié),調節(jié)螺母與支撐座的螺紋配合可以實現齒輪垂直方向位置的調節(jié),達到上壓頭作用線與齒輪基圓相切的目的,如圖3所示。

圖2 齒輪彎曲疲勞夾具

圖3 加載位置示意圖

2.3 試驗設備

齒輪彎曲疲勞試驗有多種數據組合方法,通過統(tǒng)計處理可以得到不同可靠度下的疲勞曲線。該法可比較準確地測定試驗齒輪有限壽命區(qū)間內“可靠度-應力-循環(huán)次數”曲線(“R-S-N”曲線),可預估齒輪彎曲疲勞極限。因此,齒輪彎曲的整個試驗周期較長,一般單個試驗周次可達上百萬次。為縮短試驗時長、提高工作效率,采用試驗頻率較高的電磁諧振高頻疲勞試驗機進行測試。

電磁諧振高頻疲勞試驗機應滿足如下指標:(1)同時具備靜載荷、動載荷試驗控制方式,加載過程無沖擊振動現象;(2)具有載荷、加載頻率和循環(huán)次數的顯示和記錄功能;(3)示值相對誤差應不大于0.5%,動載荷示值相對誤差不大于2%;(4)加載頻率范圍60Hz～300Hz[2]。

2.4 試驗研究

采用中機試驗裝備股份有限公司生產的20t電磁諧振高頻疲勞試驗機進行齒輪的彎曲疲勞試驗,如圖4所示。

圖4 齒輪高頻彎曲疲勞試驗

試樣選用直齒圓柱齒輪,齒輪參數如表1所示,試驗加載參數見表2。

表1 齒輪試樣參數

表2 試驗加載參數

試驗加載曲線如圖5所示,加載頻率與試樣、主機耦合的剛度有關,并非由主機主動控制選擇的頻率值。

圖5 試驗加載曲線

試驗加載150425次,設備自動進入保護。檢查試樣,輪齒根部出現裂紋(如圖6所示),導致加載力超限,觸發(fā)主機停機保護。出現裂紋為上壓頭對應的輪齒,證明支撐軸的輔助作用起到效果,與最初的設計意圖吻合。

圖6 失效齒輪

繼續(xù)施加靜載,將出現裂紋的輪齒壓斷,拆除試樣進行斷口檢查。從試樣斷口形態(tài)可以清晰看出輪齒的疲勞裂口持續(xù)擴展的狀態(tài),整個斷口疲勞裂紋在齒寬方向趨勢均勻(如圖7所示)。斷口分析結果證明夾具本身的加載位置準確,也證明了主機整體同軸狀態(tài)良好。

圖7 斷裂齒輪

3 結 論

針對直齒圓柱齒輪的加載特性及要求,設計了相應的彎曲疲勞夾具,利用電磁諧振高頻疲勞試驗機對模數m為7、齒數z為32的齒輪試樣進行了彎曲疲勞試驗,驗證了高頻響下齒輪彎曲疲勞試驗的可行性以及所設計的齒輪彎曲疲勞夾具的可靠性,為齒輪彎曲疲勞試驗研究提供了有效依據。