齿轮表面硬度对疲劳寿命的影响
一、概述 齿轮表面硬度测试分两组，每组10个齿轮，它们渗碳和硬化的相同的AISI9310材料，相同的加工温度条件下制成的。每组都是由标准研磨齿轮表面加工成的。第二组对齿轮齿面和齿根进行额外的喷丸加工处理，来减少残余表面压应力。齿轮节圆直径为8.89cm。测试条件是：齿轮温度350K，最大赫兹应力的1.71×109N /m2，和10000rpm的速度。结果表明，喷丸的标准齿轮寿命是没有喷丸寿命的1.5倍，残余应力测试表明，喷丸产生的压应力越高的齿轮疲劳寿命越长。喷丸齿轮之所以寿命是普通齿轮的1.5倍，主要是因为他们残余应力的不同。喷丸之后的齿轮它们的残余应力远远高于标准齿轮。
二、试验和结果 1、材料和测试条件
这20个齿轮通过真空电极自耗单一热源，并且符合美国标准认证的AISI9310材料加工而成。其中十个齿轮在研磨之后进行了喷丸处理。这些齿轮节圆直径8.89cm。无论是喷丸齿轮还是没喷丸齿轮之后都在相同条件下进行表面疲劳点蚀试验。这些条件包括，齿轮温度350K，最大赫兹应力1.71×109N /m2，以及转速10000r/min。
2、仪器、样本、步骤
(1) 设备
齿轮疲劳试验是在美国宇航局路易斯研究中心的齿轮测试仪(图1)上进行的。这个设备采用四边形原则来支持齿轮，当外加驱动是只需要克服系统的摩擦损失。
图1 NASA路易斯研究中心的齿轮疲劳试验装置
试验装置的示意图如图1(b) 所示。油压和流动通过轴密封作用于负载叶片。随着油压对从动齿轮的负载叶片作用增加，转矩同样作用于轴。这个扭矩传播通过测试齿轮回到从动齿轮，这里一个与之对应的相反转矩由油压力产生。这个作用于测试齿轮的扭矩取决于作用于负载叶片的液压，它可以把轮齿加载所需的应力水平。两个相同的测试齿轮可以在没有加载任何负载时开始，也可以在没有改变运行轨道时在轮齿上逐渐施加负载。皮带传动测试设备可以通过调整皮带轮转速来控制齿轮转动到指定转速，本实验设计转速为10000r/min。
(2) 材料
这些测试齿轮由真空电极自耗 (CVM) 生产材料AISA9310钢加工而成，而且这两套齿轮的洛氏硬度为58且硬化层深度为0.97mm，名义核心硬度为洛氏40。其中一套齿轮在在完成磨削，并根据表2给出的要求进行齿根齿廓规范化。材料化学成分见表1。
表1 材料成分
表2 喷丸加工规范 这些齿轮都是经过渗碳和热处理过的，热处理工序如表3所示。图2显示的是AISI 9310材料的抛光侵蚀图片。
表3 AISI 9310的热处理工序
图2 喷丸前后齿轮组织对比
表4 测试齿轮参数 3、实验
在测试齿轮被洗掉防腐剂后，他们被摆放在试验台上进行试验。0.635cm宽的测试齿轮在偏移0.3cm的重叠条件下运行，大于齿面的0.28cm，这样就能作用于齿轮的外边缘。如果齿轮的每个面都要进行测试，那么每组齿轮要进行四次疲劳试验。所有的测试都是在如下条件进行的。
节线负载1225N/cm，时间1h。这样就给每个齿轮一个最大赫兹应力0.756×109N /m2。负载然后增加到5784N/cm，这给节线的赫兹应力为1.71×109N /m2。如果假定为纯弯曲，则齿根弯曲应力将是0.21×109N /m2。然而由于有一个抵消负荷(齿轮的弯曲应力)，结合弯曲和扭转时给出的一个最大应力为0.26 ×109N /m2。这个弯曲应力不包括齿端修缘的效果，所以这也增加了弯曲应力。
齿轮试验转速为10000r/min，节线速度为46.55m/s。润滑油出口几乎在恒定温度350±3K，测试运行不断，直到位于测试齿轮变速箱旁边的振动检测传感器自动关闭为止。每次测试润滑油和过滤器的成分被更换。进口和出口石油气温连续记录在一个纸带记录器。因为这个膜厚度计算是假设齿轮节线温度等于出口油温，入口油温，连接接触区的入口油温等于齿轮温度，即使入口油温低得多。而且，齿轮表面温度甚至高于出口油温，特别是最后的滑动接触。对这些条件EHD的膜厚度被计算为0.33μm，这就提供了一个表面粗糙度为初始膜厚度h/σ为0.55且节线赫兹应力为1.71×109N /m2的比率。
三、分析与讨论 标准完成AISI 9310齿轮的表面(点蚀)疲劳结果如图3(a)所示。10-50%的疲劳寿命分别为是18.8×106r和46.1×106r。这些结果列在表4中。失败指数(即i.e.，数量的疲劳失效的数量与用于测试齿轮数的比值)是18/18。典型的疲劳剥落如图4(b)。一个截面的一个典型的疲劳剥落是图4(a)所示。表面点蚀缺陷逐渐出现在略低于节线的高赫兹应力地方，而且这只是个开端。
图3 喷丸与非喷丸齿轮表面点蚀疲劳寿命对比 喷丸齿轮点蚀疲劳寿命结果如图3(b)所示。失败的指数24/24。一个典型喷丸齿轮的疲劳剥落是图5(a)所示。典型的喷丸齿轮疲劳剥落截面显示在图5(b)中。表面点蚀疲劳寿命的10%和50%分别是30.1×106r和67.5×106r。
图4 标准齿轮的疲劳剥落图
图5 喷丸齿轮疲劳剥落截面图
众所周知，除了喷丸加工会产生残余应力外，渗碳、淬火、磨削也可以增加残余应力。我们假设喷丸齿轮增加的疲劳寿命应该是由喷丸产生的应力导致的。因此，对两个未经试验的喷丸齿轮和两个标准齿轮进行X射线检测残余应力的试验，来确定这些残余应力的大小。残余应力检测点位于节点附近的表面和内层深处5,13,25,76, 127, and 254μm。材料被硫酸磷酸铬酸电解液电解抛光进行做内部测量，目的是减少可能的在材料处理过程中材料内部的应力分布发生变化。
图6(a) 显示了两个修正X射线衍射测量残余应力的深度函数在表面之下应力分布和大小，使用的齿轮为非喷丸齿轮。磨削产生的高压缩应力在表面深度非常浅，对齿轮的表面耐久性影响很小。渗碳和淬火产生的压应力的较小，深度更深。这个压缩残余应力对表面疲劳和弯曲疲劳寿命有一定的有益影响。
图6(b) 显示了喷丸齿轮的两条X射线测量残余应力的深度曲线图。由磨削产生的高的表面应力变小。由于喷丸的作用，使齿轮在表面下1.3μm处出现一个拐点值为最大应力点，在更深处的抗压应力由于此处理也在增加。正是由于在更深处增加的压应力，对表面疲劳寿命起主要作用。最大压应力所在的深度为178μm。
图6 喷丸和非喷丸齿轮主要残余应力对比 图6(c) 显示的是喷丸和非喷丸齿轮残余应力的对比。在最大剪切应力深度178μm处，平均剪切应力由非喷丸齿轮的0.186×109N /m2，提高到喷丸齿轮的0.26×109N /m2。通过计算，可以得到喷丸齿轮是非喷丸齿轮残余应力的1.5倍。
四、基本结论 · 统计显示，喷丸齿轮点蚀疲劳10%寿命是非喷丸齿轮点蚀疲劳10%寿命的1.6倍。
· 统计显示，齿轮寿命点蚀疲劳10%时，喷丸齿轮的残余应力是非喷丸齿轮的1.5倍。
· 在最大剪切应力深度处，喷丸齿轮的最大残余应力比非喷丸齿轮提高了40%，另外，最大应力作用深度相对非喷丸齿轮增加了3.5倍，约为13.0μm。
来源：CAE技术联盟公众号(ID：caejslm)
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