20CrMoH齿轮接触疲劳强度研究

由表 ３ 可知 ， 当齿 轮 工作 扭 矩 增 加 到 ２ ３ ０ Ｎｍ ０
时齿 轮 断齿 ，即在高 应 力 区没等 发生 齿轮 接触 疲 劳 失 效 就 先发 生齿 轮弯 曲疲 劳 。用升 降法 求 出齿 轮接 触疲 用 升 降 法 求 出喷 丸 齿 轮 接 触 疲 劳 强 度 为２ ０ ９ ６
获 得在试验 应 力下 的１ 个寿命 数据 ，即１ 个试 验点 。完
成一 条齿 轮 接触 疲劳Ｓ一 ～曲线 ，至 少应 选择３ 应 力 个 水平 ，最高 应力 级中应 力循环 次数 不少于 １×１ 。 ， Ｏ次 应力增量 一般取 ５ ％～１ ％ ，每个应 力水平 取２ ４ ０ ～ 个试
Ｈ Ｃ 残余压应＝为９ ０ＭＰ。２ ｃＭ Ｈ Ｒ， ！ ８ ａ ０ ｒ ｏ 齿轮材料 ］
（ 试 验 用齿 轮 １）
试 验 用齿 轮共 两 种 ，即２ Ｃｒ Ｈ渗碳 淬 火 齿 轮 ０ Ｍｏ
（ 喷丸 ） Ｄ ０ Ｈ 未 ￣ ２ Ｃ Ｍｏ 渗碳 淬 火 后 强 化 喷丸 齿 轮 。 ｒ
两 者 几 何 参 数 相 同 （ 表 １）。 齿 轮 渗 碳 层 深 均 为 如
１２－１ ６ ｍ ｍ 。 ．
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中 国第一 汽车 集 团公 司技术 中 心 李 贞子 何 才 张 国政
ｍｉ ｎ）。
１ 前 言
齿 轮 的接触 疲劳 是齿 轮主 要 的失 效形 式。 随着 齿 轮工作 扭矩 的不断 增加 ，对齿 轮接 触疲 劳 强度 的要 求 越 来越 苛 刻 ，因此研 究 齿 轮的 接触 疲劳 性 能显 得十 分
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渤 技 ７ ｌ ｔ
２ Ｃ Ｍｏ ０ ｒ Ｈ齿轮接触 疲劳 强度研究
研 究 了２ Ｃｒ Ｈ 碳淬 火齿 轮喷 丸处理 前后 齿轮 的接触疲 劳 强度及齿 轮接触 疲 劳Ｓ一＼ ０ Ｍｏ 渗 ／曲线。 ／ 结果表 明 ，强化喷丸处理 能极大 地提高齿轮 的接触疲劳 强度 ，从 而提高齿轮 的使用寿命 。
稳 定 结 构态 转 变 。２ Ｃ Ｍｏ 齿 轮渗 碳 淬 火 后经 喷 丸 ０ｒ Ｈ
处理 ，齿 轮 表层 的残 余奥 氏体 有 很大部 分将 转变成 马
氏体 ， 因相 变 时体积 膨 胀而 产生 压应 力 ，从 而使得 表
层 残余 应 力场 向着 更大 的压 应 力方 向变化 ，因而提 高
（ ２）试验 条件
试 验 分 两 组 ，分 别 进 行 ２０ Ｍ 喷 丸 和 Ｃｒ ｏＨ未 ２ Ｃ Ｍｏ ０ Ｈ喷 丸齿 轮 疲 劳 试 验 。两 组 疲 劳试 验 条 件相 ｒ
同。
重要 。 以前 由于 受试验 手段 的 限制 ，研 究齿 轮 接触 疲 劳性 能时 ，只 能尽 可能 模 拟实 际齿 轮材 料 、工 艺及 服 役 条件 ，用 圆环 形 辊子 试样 在 接触 疲 劳试验 机 上进 行
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一 汽轿 车股份 有 限公司
刘 强 谢 文才
张晓胜 苏 传义
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机 械工业 第九 设计研 究院 陆振东
１ 引 言
近年来 ，内高压成 形技术 在 国内外 已广泛应 用于 汽 车轻量 化 中。我 国汽车 工业 的快速 发展 与对液压 成
形产 品 的需求 必将 会促 进该项 技术 的 飞速 发展 。 内高 压成 形技术 具有减 轻零 件质量 、提 高零件 刚度 、降 低 生产成 本等优 点 ， 已越来 越 受到业 内人士 的重视 。其 中管材 内高压成 形技 术 的推 广 与普及 ，对 国产汽 车 的 轻量 化过程 必将产 生 巨大的推动 作用 。
发应 用 了大量 的空 间轴 线薄 壁空 心零件 ，如轿 车副车 架 、仪表板支 架 等。 由于成形 难度 较大 ，到 目前为止 该 类零件还 有 很大 的研 究及 应用潜 力。 本文 通过 有 限元模 拟 ，对 奔腾 Ｂ ０ ￣ 架 内高 压 ５ ８车 Ｊ
成形 过程进 行 了分析 ，给 出各工 序钢 管的成 形极 限云
矩 １ ０ ９ ０ Ｎｍ，循 环 次数 为４７ ５Ｘ１ 。）。 由图４ ８ Ｏ 可
扭 矩／ ｍ 计算 的齿 轮接 触应 力／ ａ 循环 次数 ／× Ｏ 备 注 Ｎ ＭＰ １
知 ，齿 轮 裂纹 起源于 表 面 ，随着 接触 应 力 的增 大 ，最
终 导 致表面 剥 落。
图４ １ 号齿轮 微观 Ｓ Ｍ图 Ｅ
劳 强度 为 １７ １ＭＰ ，相 当于 ＩＯ６ ３ 标 准里 的ＭＥ ９ ａ Ｓ ３６
级。
ＭＰ ，比未 喷丸齿 轮接 触疲 劳强 度提 高约 １ ％。 ａ ３ 喷丸 处理 能改善 零件 表层 的应 力 分布。 喷丸后 的
（ ２ Ｃ Ｍｏ 渗碳 淬 火后 强化 喷丸 齿轮 接触 疲 ２） ０ ｒ Ｈ
化 学成 分如表２ 。
３２ 接触 疲劳试验 ．
（ ２ ＣＭｏ 渗碳 淬火 齿轮 （ １） ０ ｒ Ｈ 未喷 丸 ） 触疲 接
劳试 验结 果
表３ 未喷丸 齿 轮疲 劳寿 命及 对应 的试验 载荷 。 为
图３ 为齿 轮 表面 剥落 照 片 （ 转速 １ ０ ／ ｎ，扭 矩 ６ ０ ｒｍｉ １ ０ ９ ０ Ｎｍ， １ 号齿 轮、 ５９齿轮 的循 环 次 数 分别 为 － －
汽车Ｔ艺与材料 Ａ Ｍ ｆ ７ Ｔ ５ ＆
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数 字
园 地
奔腾Ｂ Ｏ Ｕ ５ Ｉ 车架 内高压成形有 限元分析
介绍 了奔腾Ｂ ０ ５ 副车架成 形的３ 工序 （ 个 弯管 、预成 形和 内高压成 形 ），对各工序 进行 了有 限元 分 析 ，给 出了钢 管的成 形极限云 图和壁厚分布 ，模拟 结果与试 验结果吻合很好。
多 ，主要原 因是其 交 变接触 应力 的最大值 超 过齿轮 材
５ 汽车Ｔ艺与材料 Ａ Ｍ ６ ｆ Ｔ ＆
２ １年 ２ ００ 第 期
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潮 技 柬
易引起 点蚀 的 发生 。
丸齿 轮疲 劳寿 命及 对应 的试 验载 荷 。
图４ 为齿 轮微 观 Ｓ Ｍ图 （ 速 １ ０ ／ ｎ，扭 Ｅ 转 ６ ０ ｒｍｉ
齿轮 件 的材 料 、工艺 、结构 参数 等 ，估 算 可能的试验
载荷 范围 。
进行 接触疲 劳试验 时 ，应保证 齿轮 在试验 过程 中
不发生 弯 曲疲 劳 断齿 。本 文选 用Ｍ８ 标准齿 轮 （ 代 Ｍ８ 表７ ９ ｍｍ模数 齿轮 ） 当齿面 出现 接触疲 劳 失效或 。 应 力循环 次数达 到循 环基数 ５Ｘ１ 时 ，试 验终 止并 ０次
．
检
测 技 ７ ｌ ｔ
转 速 、高扭 矩及 高 功率 等特 点 。 它有测 试 齿轮 箱 （ ２
个 ）及液压 伺服 扭矩加 载器 ，是 目前世 界上 比较 先进 的齿轮 疲劳试 验机 。 ２３ 试验规 范 ．
验 点 。齿 轮疲 劳 试验至 少需 要６ 齿 轮 ，每 个齿 轮有 对 两个 试验 面 ，共 可获得 １ 个 数据点 。通过 了解试验 用 ２
劳试 验结 果
残余 应 力来 源于 表层 不均 匀 的塑 性 变形和 金 属组织 相
变 ，其 中以不均 匀 的塑 性 变形 为主 。喷 丸后 ，金 属表 面 产 生大量 凹坑 形 式 的塑性 变形 ，表 层位 错 密度 大大 增加 ，而且 还 出现 亚晶 界和 晶粒 细化 现 象。 喷丸 处理
图及壁 厚分 布 ，并 与试验 结果进 行对 比。
２ 成 形 工 艺
奔腾 Ｂ ０ ￣ ５ ８ 车架 零件 是 空间 曲线类 零件 ，沿轴 线
目前 ，管 材 零件 内高 压 成 形技 术 的研 究 逐 渐 向
管壁 薄、形状 异 的方 向倾斜 ，这类 零件 的外观 特点 主 要就 是 壁 厚 小 、轴 线 为 空 间 曲 线。 各 大 汽 车 制造 商
线 ， 即Ｓ Ｎ曲线 ，如 图６ — 。 Ｓ一ｌ 线在 高应 力 区 为一 条斜 率 为一 ６ ．７ ，曲 ＼ ， ３ ０８ 的直
（ ｂ）８ 齿 轮 Ａ面 号
线 ，直线 方程 为 一 ６ ．７ ＋ ７ ． ３ ０８ ４７ ５２。
图５ 齿轮 宏观 剥落 照 片
２ １年 ２ ００ 第 期
（ ａｍ ｌｒ Ｃｈｙ ｌｒ ｏｋ ｗａ ｅ Ｄ ｉ ｅ－ ｓｅ ，Ｖ ｌ ｒ ｓ ｇ ｎ，Ｏｐ ｌ Ｂ ｅ， ＭＷ ，
方 向上 的截 面是 变化 的。对 于这 类零件 的成 形工序 主
轮进行 的接触 疲劳 试验 相 比 ，两者 试验 结 果有 很大 出 入 。本 文 以２ Ｃ Ｍｏ 齿 轮钢 为例 ，用 其） Ｔ 成 标 准 ０ Ｈ ｒ Ｊ Ｄ 齿 轮后 ，在标 准齿 轮疲 劳试 验 机上 对其 进行 齿 轮接 触
２２ 试 验设备 ． 试 验 所 用 设 备 为 德 国 Ｓ ＡＭＡ公 司 生 产 的 中 心 ＴＲ
（ ａ）７ 齿 轮 Ａ面 号
了齿 轮 的疲 劳 强度 。但 喷丸 强化 时 不是 喷丸 强度越 高 越好 ，注 意 避免 过度 喷 丸 ，否则 会增 大齿 轮表 面 的粗 糙度 ，影 响表面 质量 ，降低 使用 寿命 。所 以 ，选择 合
适 的喷 丸处理 工 艺参 数很重 要 。
根据 表 ４ 可绘 出喷 丸齿 轮接 触 应 力 与寿 命对 数 曲
后 的齿 轮如 果 受到 交变 载荷 或温 度 变化 的影 响 ，表 层
图５ 为喷丸齿 轮表面 剥落照 片 （ 转速 １ ０ ｍ＿． ０ｒ ｎ ５ ／
扭矩 ２ ５ ０ Ｎｍ ，循环 次数 为２ ．７×１ 。 ０ ２３ Ｏ ）。表 ４ 喷 为
的组织 结构 将产 生 变化 ，由喷丸 引起 的 不稳 定结构 向
现 的小块 剥落 而形成 的麻 点现 象。形成 点蚀 的原 因很
入裂纹 的胀 挤作 用加速 了裂纹 的扩 展而 形成 点蚀 。油
的粘度愈小 ，愈易渗入裂纹 ，点蚀扩展愈快。此外，
点蚀还 与轮齿 的工艺表 面状 态有 关。 由于 表面 出现裂 纹 ，裂缝和 粗糙 度等 应 力集 中源 使接 触应力增 大 ，也