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【摘要】较详细地研究了表面应力状态和表面光洁度等对汽车用齿轮的疲劳寿命的影响规律。实验发现 , 随着喷丸形成的表面应力增大 , 齿轮疲劳寿命显著增加, 而且表面光洁度的改善也能明显提高齿轮的疲劳寿命 。本文由 抛丸机 厂家整理
【关键词】表面状态 汽车齿轮 疲劳寿命 X -射线应力仪

1 前言
汽车工业是国民经济支柱产业 , 其发展在整个国民经济中占有举足轻重的地位 。随着汽车, 尤其是轿车的更新换代, 需要配以大功率的发动机 , 相应地变速箱齿轮输出轴扭矩大幅度增加 ;另一方面为满足舒适 、 节能和环保等日益重视的要求, 需要开发高性能的齿轮钢, 用以制造齿轮箱中关键的输出输入轴齿轮, 国际上在该领域投入了大量的人力和物力[ 1～ 3] , 国内则相对研究开发较少[ 4] 。
由于 影响齿轮疲劳寿命的因数很多,如材料成分及其冶金质量 、 热处理工艺 、 机械切削加工 、 表面状态 (喷丸及研磨)等 ,加上现有测试实际齿轮疲劳寿命设备还不够标准化, 因此给这方面的研究带来很大的困难。本文着重研究表面状态 (表面应力 、 表面光洁度)对新一代轿车用齿轮的疲劳寿命的影响规律, 以期得到一些有价值的结果。
2 实验过程
2.1 试验样品及其制备
实验材料为 2VQS 发动机变速箱输出轴用的 20CrNi2MoH 新型齿轮钢 (55mm), 其化学成分如表 1 所示 。
表 1 2VQS用新型齿轮钢的化学成分

选择一批锻后热处理过的齿轮钢棒料,先经机械切削加工成 013 201 螺伞齿轮 。
2.2 实验工艺参数制定
对加工好的螺伞齿轮进行正常工艺渗碳淬火处理 , 然后根据文献[ 5] 得出的喷丸试验结论 , 选定喷丸工艺参数 , 并进行喷丸强化、 研磨处理 。具体喷丸和研磨工艺及相应的样品编号列于表 2 。

表 2 齿轮喷丸和研磨工艺试验

注:(1) ＊为未研磨试样;(2)圆括号中的转速为实喷时的转速。


2.3 表面应力及表面光洁度测定
应力测量仪器为 Seifert X -射线应力仪,CrKα1辐射 , 电压 30kV , 电流 50mA , 选择 Fe(211)衍射峰。用 RANK TAYLOR HOBSON表面粗糙度仪测量不同研磨状态的齿轮表面粗糙度 (光洁度)。
2.4 台架试验
从表 2 喷丸强化和研磨配对齿轮中 , 每种任选二对, 在汽齿总厂台架试验设备上进行单对台架疲劳寿命试验 。试验条件为 :扭矩 535.5N·m, 转速 345r/min , 润滑油温度～ 65 ℃, 齿轮安装侧隙 0.16 ～ 0.20mm 。
3 实验结果及讨论
从 A 、 B、 C 三种喷丸齿轮及两种台架试验失效后的齿轮各选一只进行残余压应力的测定, 测量结果列于表 3 ;不同研磨状态齿轮表面粗糙度测定结果列于表 4 ;各种不同表面状态齿轮的台架疲劳试验结果列于表 5 。
表 3 喷丸齿轮及台架失效齿轮残余压应力测定结果 (MPa)

从表 3 测试结果可见:
(1)由喷丸所产生的齿轮表层残余应力为压应力状态, 且残余应力呈峰值分布 , 即最大的峰值应力在齿轮的次表层约 25μm处, 其绝对值可达 1000MPa 左右 。
(2)随着喷丸强度的提高, 齿轮表层残余压应力增大 ;当喷丸强度大于一定值后,则由喷丸所产生的齿轮表层残余压应力及其分布符合国内外汽车齿轮技术标准 , 可见喷丸工艺与受喷工件表层残余应力及其分布有极密切的关系, 有关结果将另文发表[ 5] 。

表 4 三种不同研磨状态齿轮表面粗糙度

注:Ra :轮廓算术平均偏差, 即面积平均值;Rz:(5个最大峰高+5个最大谷深)/ 10;Rt:轮廓最大高度。

表 5 喷丸和研磨对齿轮台架疲劳寿命的影响

从表 4齿 轮表面 粗糙度 测试结 果可知:
(1)齿轮工作面轮廓算术平均偏差 Ra 、Rz (5 个最大峰高 +5 个最大谷深/10)及轮廓最大高度 Rt 等参数的测量值均小于齿轮非工作表面相关参数的值 , 这点对于提高齿轮的疲劳寿命是有益的。
(2)随着研磨循环次数的增大 (即表中从两次循环 2B1 ※六次循环 6B1), 齿轮工作表面及非工作表面等处的粗糙度 (Ra 、 Rz 、Rt)都得到明显的改善 , 尤其是轮廓最大高度 Rt 的改善最为明显, 但进一步增加研磨循环次数 , 齿轮表面粗糙度改善程度降低。
从表 5 喷丸和研磨齿轮台架疲劳寿命结果可得:
(1)除表中小应力个别点外, 齿轮台架疲劳实验寿命均大大高于轿车齿轮疲劳寿命的技术标准, 说明本文所研究出的表面状态改善工艺对提高轿车齿轮疲劳寿命是非常有效的 。
(2)与小应力齿轮台架寿命相比 , 残余压应力越大, 相应地齿轮台架疲劳寿命提高越显著, 一般可达 5 倍以上 (见表中 4A 、4B 、 4C 等三种试样的台架试验结果)。这是由于齿轮啮合时, 其最大剪切应力位于齿轮的次表层[ 6] , 而强化喷丸时, 最大压应力峰值也在次表层[ 5] , 因此, 当次表层压应力峰值增大时 , 致使齿轮次表层疲劳裂纹的产生和扩展均受到更大的阻碍 , 因而齿轮的疲劳寿命可显著提高 。
(3)在同样的喷丸强化条件下, 随着研磨循环次数的增大 (2 ～ 6 次范围内), 齿轮台架疲劳寿命也呈明显上升趋势, 一般可达3 倍以上 (见表中 2B 、 4B 、 6B 等三种试样的试验结果)。这是由于齿轮研磨时, 一方面使齿轮表层残余压应力大小及其分布发生变化 ;另一方面 , 随着研磨次数的增大 , 齿轮表面及齿根等处的粗糙度明显改善 (见表4 中 2B1 、 4B1 、 6B1 等三种试样的测试结果), 因而可明显提高齿轮的台架疲劳寿命。
比较表 3 中齿轮台架疲劳失效前后的表面残余压应力变化情况 (见表中 A1 和 4A1 ;C1 和 4C5 的测量结果)可发现:经过台架疲劳试验后, 齿轮表层残余压应力大小会得到不同程度的松弛, 尤其是在齿轮的次表层和深层处的残余压应力松弛得更加明显 , 这可能与齿轮在啮合时 , 其最大剪切应力 , 也即疲劳源的产生和扩展处一般位于齿轮的次表层 , 因而该处残余应力释放得最多有关。
6 结论
(1)喷丸所产生的表面应力状态对齿轮台架疲劳寿命有显著的影响, 在一定范围内, 随着喷丸强化程度的增大 , 齿轮表面残余压应力增大 , 则可显著提高齿轮台架疲劳寿命 , 提高幅度大约有 5 倍以上。
(2)研磨循环次数增多, 一方面对齿轮表层残余压应力状态有较大的影响 , 另一方面又可以明显改善齿轮表面的粗糙度 。在 2～ 6 次循环次数范围内, 随着研磨次数的增加, 齿轮台架疲劳寿命大幅度提高 , 提高幅度大约有 3 倍以上。
(3)经台架疲劳试验后, 齿轮表层残余压应力得到明显的松弛。尤其是齿轮次表层残余压应力松弛最明显 , 表明齿轮啮合时 ,其次表层塑性变形最大 , 因而应力松弛最大。
参 考 文 献
[ 1] Wrigley A.Metals shifts into high gear .American MetalMarket.1998, 106 (34):P4
[ 2] Kanisawa H , et al.Development of high -strength carburized steel for automobile gears.Nippon Steel Technical Report .1995, 64:P50-54
[ 3] Sakamoto K, et al.Development of gear materials of high fatigue strength HS822 steels for carburized gears with higherpitting fatigue performance .Mitsubishi Steel M anufacturingTechnical Review .1996, 30:1-10
[ 4] 许珞萍等.轿车用新型齿轮钢的开发和应用研究.上海市科委重中之重项目.1997, 6 鉴定。本文由 抛丸机 厂家整理
[ 5] 许珞萍等.喷丸工艺对轿车用新型齿轮表面应力状态影响的研究.机械工程材料.2000, (1)待发表
[ 6] 朱孝录、 鄂中凯主编.齿轮承载力分析.北京, 高教出版社, 1992, 8:139～ 250