20CrMoH齿轮接触疲劳强度研究

2 300
2 026
0.457
断齿
4.785
1 900
1 841
4.785 12.120
剥落
15.500
1 700
1 742
50.000 50.000 50.000 50.000
越出
( b ) 5号齿轮 图3 齿轮宏观剥落照片
料的接触疲劳极限而形成点蚀；其次是齿面润滑油渗
从图3可知，齿轮失效形式是齿面接触疲劳点
本文通过有限元模拟，对奔腾B50副车架内高压 成形过程进行了分析，给出各工序钢管的成形极限云 图及壁厚分布，并与试验结果进行对比。
2 成形工艺
奔腾B50副车架零件是空间曲线类零件，沿轴线 方向上的截面是变化的。对于这类零件的成形工序主 要有弯管、预成形和内高压成形，如图1。
弯管工序是在弯管机上将钢管弯曲到要求的形 状。弯管工序对弯管机的弯管精度要求比较高，必 须为数控弯管机，同时需要控制弯曲后钢管壁厚的
min）。 （2）试验条件 试验分两组，分别进行20CrMoH未喷丸和
20CrMoH喷丸齿轮疲劳试验。两组疲劳试验条件相 同。
油温：70 ℃。 转速：1 500~1 600 r/min。 润滑油：80W/90 GL-5长城重负荷车辆齿轮 油。 2.2 试验设备 试验所用设备为德国STRAMA公司生产的中心 距为160 mm的标准齿轮疲劳试验机，如图1。齿轮 装夹方式如图2。该试验机是背靠背布置的，具有高
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 （Daimler-Chrysler，Volkswagen，Opel，BMW， Ford，General Motors）都在自己所生产的汽车上开
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。
2 500
2 112
22.37 26.00 26.00 50.00
剥落 剥落 剥落 越出
2 300
2 026
50.00 50.00
越出 越出
50.00
越出
用升降法求出喷丸齿轮接触疲劳强度为2 069 MPa，比未喷丸齿轮接触疲劳强度提高约13%。
喷丸处理能改善零件表层的应力分布。喷丸后的 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 后的齿轮如果受到交变载荷或温度变化的影响，表层 的组织结构将产生变化，由喷丸引起的不稳定结构向 稳定结构态转变。20CrMoH齿轮渗碳淬火后经喷丸 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 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。
2 试验方法
2.1 试验用齿轮及试验条件 （1）试验用齿轮 试验用齿轮共两种，即20CrMoH渗碳淬火齿轮
（未喷丸）和20CrMoH渗碳淬火后强化喷丸齿轮。 两者几何参数相同（如表1）。齿轮渗碳层深均为 1.2~1.6 mm。
齿轮喷丸主要参数为丸粒大小0.7 mm、丸粒 速度80 m/s、覆盖率200%（100%覆盖率时间为7
介绍了奔腾B50副车架成形的3个工序（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。
一汽轿车股份有限公司 刘 强 张晓胜 谢文才 苏传义
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。
技术要求 实测值
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
C 0.17～0.23
0.21
表2 20CrMoH齿轮的化学成分
Si
Mn
Cr
0.17～0.37 0.55～0.90 0.85～1.35
0.32
0.61
0.95
Mo 0.15～0.35
0.23
P ≤0.030 0.023
% S ≤0.030 0.021
3.2 接触疲劳试验
（1）20CrMoH渗碳淬火齿轮（未喷丸）接触疲
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2010年第2期
TEST
检 测技术
TECHNOLOGIES
易引起点蚀的发生。 图4为齿轮微观SEM图（转速1 600 r/min，扭
矩1 900 Nm，循环次数为4.785×106）。由图4可 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。
条直线，直线方程为Y =-360.87X
+4
775.2
。
AT &M
2010年第2期
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 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 齿轮接触疲劳试验。而由于实际齿轮的几何形状、加 工精度等因素的影响，用圆环形辊子试样和用标准齿 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20CrMoH齿轮钢为例，用其加工成标准 齿轮后，在标准齿轮疲劳试验机上对其进行齿轮接触 疲劳试验，并且研究了强化喷丸对齿轮接触疲劳的影 响。
根据表4可绘出喷丸齿轮接触应力与寿命对数曲 线，即S -N 曲线，如图6。
S -N 曲线在高应力区为一条斜率为-360.87的直 线，直线方程为Y=-360.87X +4 775.2 。
2010年第2期
汽 车 工 艺 与 材 料 AT&M 57
数 字化园地
D I G I TA L
DOMAIN
奔腾B50副车架内高压成形有限元分析
图4 1号齿轮微观SEM图 由表3可知，当齿轮工作扭矩增加到2 300 Nm 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 劳强度为1 791 MPa，相当于ISO6336标准里的ME 级。 （2）20CrMoH渗碳淬火后强化喷丸齿轮接触疲 劳试验结果 图5为喷丸齿轮表面剥落照片（转速1 500 r/min， 扭矩2 500 Nm，循环次数为22.37×106）。表4为喷
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（M8代 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5×107次时，试验终止并 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 -N 曲线，至少应选择3个应力 水平，最高应力级中应力循环次数不少于1×106次， 应力增量一般取5%~10%，每个应力水平取2~4个试
图6 接触应力与寿命对数曲线
58 汽 车 工 艺 与 材 料 AT&M
4 结论
（1）20CrMoH渗碳淬火齿轮喷丸前后接触疲劳
强度分别为1 791 MPa和2 069 MPa。强化喷丸处理
能极大提高齿轮的接触疲劳强度，从而提高齿轮的
使用寿命；喷丸强化可使齿轮接触疲劳强度提高约
13%。
（2）20CrMoH喷丸齿轮接触疲劳S -N 曲线为一
TEST
检 测技术
TECHNOLOGIES
20CrMoH齿轮接触疲劳强度研究
研究了20CrMoH渗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 -N 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。
中国第一汽车集团公司技术中心 李贞子 何 才 张国政
劳试验结果
表3为未喷丸齿轮疲劳寿命及对应的试验载荷。
图3为齿轮表面剥落照片（转速1 600 r/min，扭矩
1 900 Nm， 1号齿轮、5号齿轮的循环次数分别为
4.785×106、12.120×106）。 表3 未喷丸齿轮疲劳寿命及对应的试验载荷
（a）1号齿轮
扭矩/Nm 计算的齿轮接触应力/MPa 循环次数/×106 备注
表1 齿轮主要参数
齿数 法向模数/mm 压力角/（°） 齿面宽/mm 螺旋角/（°）
20
8
20
20
0
图1 标准齿轮疲劳试验机 图2 齿轮装夹方式
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汽 车 工 艺 与 材 料 AT&M 55
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检 测技术
TECHNOLOGIES
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。 2.3 试验规范
验点。齿轮疲劳试验至少需要6对齿轮，每个齿轮有 两个试验面，共可获得12个数据点。通过了解试验用 齿轮件的材料、工艺、结构参数等，估算可能的试验 载荷范围。
3 试验结果及分析
3.1 理化检验 经检测，齿轮渗碳淬火后齿面硬度为 61.0~62.0
HRC，心部硬度为44.0~45.3 HRC，有效硬化层深 度为1.6 mm。喷丸处理后的齿面硬度为62.5~63.5 HRC，残余压应力为980 MPa。20CrMoH齿轮材料 化学成分如表2。
入裂纹的胀挤作用加速了裂纹的扩展而形成点蚀。油
蚀，它是一种在齿轮节线附近靠近齿根部分齿面上出
的粘度愈小，愈易渗入裂纹，点蚀扩展愈快。此外，
现的小块剥落而形成的麻点现象。形成点蚀的原因很
点蚀还与轮齿的工艺表面状态有关。由于表面出现裂
多，主要原因是其交变接触应力的最大值超过齿轮材
纹，裂缝和粗糙度等应力集中源使接触应力增大，也
（a）7号齿轮A面
（b）8号齿轮A面 图5 齿轮宏观剥落照片
丸齿轮疲劳寿命及对应的试验载荷。
表4 喷丸齿轮疲劳寿命及对应的试验载荷
扭矩/Nm 计算的齿轮接触应力/MPa 循环次数/×106 备注
2 700
2 195
11.20 14.20 14.20 17.80 22.37
剥落 剥落 剥落 剥落 剥落