37SiMn2MoV调质齿轮弯曲疲劳可靠性试验

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1998.06.014 第20卷第6期 北京科技大学学报 Vol,20 No.6 1998年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dee,1998 37SiMn2MoV调质齿轮弯曲疲劳可靠性试验 陶 晋史铁军 崔兴山谈嘉祯 北京科技大学机械工程学院，北京100083 摘要论述37SiM2MoV调质齿轮轮齿弯曲疲劳强度的可靠性试验研究.该试验是在英国制造 的EMR一1603型电磁谐振疲劳试验机上进行的，分4个应力级，每个应力级的试验样本不少于6 个，在试验数据基础上，拟合出R一一W曲线及方程，最后求得不同可靠度下37SiM2MoV调质 齿轮轮齿的弯曲疲劳强度极限. 关键词调质齿轮；R一S一W方程；疲劳：可靠性 分类号TH132413 合金钢调质齿轮是我国机械、冶金、矿山行业中广泛应用的齿轮，但设计它所需的主要数 据一疲劳极限应力o值，在国标GB3480中是照搬IS06336的数据.而IS0的试验齿轮与 我国齿轮在材料冶炼、机械加工和热处理工艺等方面均存在较大的差别.北京科技大学齿轮 科研组和国内其他单位的学者，对12种国产材料（包括调质钢、渗碳钢、渗氨钢和球墨铸铁） 齿轮的轮齿弯曲疲劳试验研究已发现，其轮齿弯曲疲劳极限应力0值普遍低于GB3480提 供的数据的下限山.因而盲目采用GB3480提供的轮齿弯曲疲劳极限应力0值设计国产材料 齿轮具有很大的风险.最近，我们对国产材料37SiM2MoV调质齿轮进行弯曲疲劳试验研 究，求得这种齿轮的轮齿弯曲疲劳极限应力·值，为这种国产材料齿轮的设计提供了符合 实际的基础数据 1试验机与试验齿轮 试验机是英国制造的EMR-1603型电磁谐振疲劳试验机.试验齿轮为标准直齿圆柱齿 轮，模数m=5mm,齿数z=30,齿宽b=14mm.试验齿轮工艺路线：毛坯锻造→正火， 870℃，保温1h,空冷→粗车毛坯→滚齿→调质处理+磨齿.其中调质工艺：870℃，保温 0min,油淬；650~660℃，回火；轮坯硬度为：251~260HBS,平均255.5HBS.经测定，齿根表 粗糙度R,≈30μm.材料化学成分及力学性能均符合GB3077一88要求. 2试验方法和失效判据 采用双齿脉动加载法试验，加载频率为150Hz,分4个载荷级加载，每级试验样本不少于 6个.试验应力的计算按GB/T14230-93要求的方法计算四，被试齿在所有试验齿轮中随机抽 取，按至少间隔1齿的原则抽取，以轮齿折断或轮齿裂纹扩展到使载荷下降达10%而自动停 1997-12-27收精陶晋女，39岁，讲师 ◆机械工业部科技基金资助课题

第2 0卷 第6期 1 9 98年 1 2月 北 京 科 技 大 学 学 报 OJ u r n a l o f nU i v e r is yt o f cS i e n e e a n d T ec h o o lo g y eB lj i n g V o l 一 20 N如 . 6 刃地C 。 19 8 3 7 S IM n ZM O V 调质齿轮弯曲疲劳可靠性试验 陶 晋 史铁军 崔兴 山 谈嘉祯 北京科技大学机械工程学 院 , 北京 10 0 0 83 摘要 论 述 37 is M n Z M 石V 调 质齿轮轮齿弯曲疲 劳强度 的可靠性试验研 究 . 该试 验是 在英国制造 的 EM -R 一 1 60 3 型 电磁 谐振疲劳试验机上进行 的 , 分 4 个应力级 , 每个应力级的试验样本不少于 6 个 . 在 试验数 据基础上 , 拟合 出 尺一子一 N 曲线及方程 , 最后求得不 同可靠 度下 37 is M nZ M o V 调质 齿轮轮齿 的弯曲疲劳强度极限 . 关扭词 调 质齿轮 ; 介一 子一 N 方程; 疲劳; 可靠性 分 类号 T H 132 4 1 3 合金钢调质 齿 轮是 我国机 械 、 冶 金 、 矿 山行 业 中广泛应 用 的齿轮 , 但设计它所 需 的主要 数 据— 疲 劳极 限应 力口。 二 值 , 在 国标BG 3 4 8 0 中是 照搬 15 0 6 3 3 6 的数据 · 而 15 0 的试验 齿轮 与 我 国 齿轮在 材料 冶 炼 、 机 械 加工 和热 处理 工艺等方面 均存在 较 大的差 别 . 北 京科技 大 学齿轮 科研组和 国 内其他单位 的学 者 , 对 12 种 国产 材料 ( 包括 调质钢 、 渗碳钢 、 渗氮钢 和 球墨铸铁) 齿轮 的 轮齿 弯曲疲 劳 试验研 究 已 发现 , 其轮齿弯曲疲 劳极 限应力“ 值普遍 低于 BG 34 8 0 提 供的 数据的下 限川 . 因而 盲 目采 用 BG 3 4 80 提供的 轮齿 弯曲疲劳极 限应力` im值设计国产材 料 齿 轮具有 很大 的风险 . 最 近 , 我 们对国产材 料 37 is M n ZM o V 调 质 齿 轮进 行弯 曲疲劳试 验 研 究 , 求得 这 种 齿轮 的 轮齿弯 曲疲 劳极 限应 力 a , m值 , 为这 种 国产材料 齿轮的设计提供 了符合 实 际的基 础数据 . 1 试验机与试验齿轮 试 验 机是 英国 制造 的 E N任卜 16 03 型 电磁谐振疲 劳试 验 机 . 试 验 齿轮为标准直齿 回柱齿 轮 , 模 数 , 二 5 ~ , 齿 数 : = 30 , 齿宽 b = 14 ~ . 试验 齿 轮工 艺路 线 : 毛 坯 锻造 ~ 正 火 , 87 0 ℃ , 保 温 l h , 空 冷 ~ 粗 车毛 坯 ~ 滚 齿 一 调 质 处 理 一 磨 齿 . 其 中调 质 工 艺 : 8 70 ℃ , 保 温 o m in , 油 淬 ; 6 50 一 6 6 0℃ , 回火 ; 轮坯 硬 度为 : 25 1一 2 60 H B S , 平均 2 5 . 5 H B S . 经测 定 , 齿根 表 画粗 糙度 R z 二 30 “ m . 材 料化学 成分 及力 学性能 均符合 BG 30 7 7一 8 要求 . 2 试验方法和失效判据 采 用双 齿脉动 加载法 试验 , 加载频率为 150 比 , 分 4 个载荷级加载 , 每级试验 样本不 少于 6 个 . 试 验应 力 的 计算按 BG /1T 4 2 3 0 一 93 要求 的方法 计算 2I] , 被 试齿在所 有试验 齿轮 中 随机 抽 取 , 按至 少 间隔 1 齿的原 则抽取 . 以 轮齿折断或轮齿裂纹 扩展 到使载荷下 降达 10 % 而 自动停 19 9 7 一 12 一 2 7 收稿 陶晋 女 , 39 岁 , 讲师 * 机械工业部科技基金 资助课题 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1998. 06. 014

Vol.20 No.6 陶晋等：37SiMn2MoV调质齿轮变曲疲劳可靠性试验 ·569· 机时为失效判据， 3 试验数据处理及R一S一N曲线方程的拟合 经过试验，4个应力级轮齿弯曲疲劳寿命如表1所列， 表1轮齿弯曲疲劳失效寿命（应力循环次缴） 次 序号 OF/MRa 0m=428.4 05=364.4 0s=326.2 0k,=300.8 0.1882×10 0.3516×10 0.3461×10 0.9987×10 2 0.2063×10 0.4398×10 0.3783×10 1.5035×10 3 0.2129×10 0.5128×10 0.4124×10 1.5996×10 4 0.2201×10 0.6678×10 0.4669×10° 1.7013×106 5 0.2389×10 0.6984×10 0.5105×106 2.0163×10 6 0.3314×10° 0.7157×10 0.6826×10 2.1103×10 7 0.8547×10 2.3101×10 8 1.2598×106 >3×10 9 >3×106 经过分布检验，4个应力级的寿命均服从三参数威布尔分布，按文献[3]方法求得各应力 级时的寿命分布参数如表2所列. 表2各应力级的寿命威布尔分布参数 参数 Op/MPa 0s=428.4 0s=364.4 05,=326.2 0=300.8 最小寿命NmJ次 0.1676×10 0.1708×10 0.2340×10 0.2398×10 特征寿命N/次 0.2872×10° 0.7788×10 0.9381×10 2.7742×10 形状参数b。 1.458 2.330 1.366 2.802 相关系数y 0.9508 0.9764 0.9518 0.9818 相关系数临界值ymin 0.811 0.811 0.666 0.666 齿轮弯曲疲劳曲线方程表达式为： d N=C. 式中：o为齿根弯曲疲劳极限应力，Pa;N为寿命，应力循环次数，次；C为试验常数；m为试 验指数， 在对数坐标上，将4个应力级的同可靠度时的寿命点按最小二乘法进行直线拟合，发现 高可靠度的S一N拟合线的相关系数未达到临界值，故按文献[3]的方法，对一定寿命下的不 同可靠度的齿根弯曲疲劳强度进行分布检验，证明亦服从三参数威布尔分布.再将各个寿命 下相同可靠度时的强度进行直线拟合，并按文献[2]进行修正，获得各种可靠度下的S一R曲 线方程.其中可靠度为99%的S-W曲线方程参数是：m=5.061112,C=1.848213392×1018 所以，当N=3×10次时，轮齿弯曲疲劳强度（即齿根弯曲疲劳极限应力）om=213.5MPa. 4结论 国产材料37SiMn2MoV调质齿轮（平均硬度255.5HBS)可靠度为99%时的弯曲疲劳极

V o l . 2 0 N O . 6 陶晋等 : 37 is M l l ZM o V 调质齿轮变曲疲劳可 靠性试验 机 时为失 效判 据 . 3 试验数 据处 理及 R一占一万 曲线方程的拟合 经过 试验 , 4 个应 力级 轮齿弯曲疲劳寿命如表 l 所 列 . 表 1 轮齿弯 曲疲劳失效寿命 (应 力循环次数 ) 序号 外/ M 确 0 . 1 8 8 2火 一0 6 0 . 206 3 x l 0 6 0 . 2 12 9 x l 0 6 0 . 220 一x 1 0 6 0 . 23 8 9 x l 0 6 0 . 33 一4 x 一。 ` 0 . 35 1 6 x l 0 6 0 . 4 3 9 s x l o ` 0 . 5 12 8 x 1 0 6 0 . 667 8 x l 0 6 0 . 6 9 8 4 x l 0 6 0 . 7 1 5 7 x l 0 6 0 . 34 6 1 x l 0 6 0 . 3 7 8 3 x l 0 6 0 . 4 2 2 4 欠 1 0 6 0 . 4 66 9 x l 0 6 0 . 5 1 0 5 x l 0 6 0 . 68 2 6 x l 0 6 0 . 8 5 4 7 x l 0 6 1 . 25 9 8 x l 0 6 0 . 99 8 7 x l 0 6 一5 0 3 s x 一0 6 1 . 599 6 x z0 6 1 . 7 0 1 3x l 0 6 2 . 0 一6 3 x l 0 6 2 . 1 10 3 x l 0 6 2 . 3 10 x x l o 6 > 3x l 0 6 > 3x l 0 6 经 过 分布检 验 , 4 个 应力级 的寿命 均服从三参数威 布 尔分 布 , 按文献 〔31 方 法求得各 应力 级 时的寿命分 布参数如表 2 所列 . 表2 各应力级的寿命威布尔分布参数 参数 a 夕N 田a 最小 寿命从 五了次 特征寿命叼次 形状参数bo 相 关系数夕 鱼医基数l病界值下。 峨= 4 2 8 . 4 0 . 167 6 x l o ` 0 . 25 7 2 x l 0 6 1 . 4 58 0 . 9 50 8 0 . 8 1 1 arz = 3 64 .4 0 . 17 0 8 x l 0 6 0 . 7 7 8 s x 一0 6 2 . 330 0 . 97 6 4 0 , 8 1 1 a 已 二 3 2 6 . 2 0 . 2 3 4 o x l 0 6 0 . 9 38 l x l 0 6 1 . 366 0 . 9 5 1 8 0 6 6 6 a 几 = 3 0 0 . 8 0 2 3 9 8 x l 0 6 2 . 7 7 4 Z x l o 6 2 . 80 2 0 . 98 1 8 0 . 6 66 齿轮 弯曲疲劳曲线方 程表达式为 : 衅 N = .C 式 中 : 丐为齿 根 弯曲疲 劳极 限应力 , MP a ; N 为 寿命 , 应力循环次数 , 次 ; C 为试 验 常数 ; m 为试 验指数 . 在 对数坐标 上 , 将 4 个 应力级 的 同可靠度 时 的寿命点 按 最小 二乘法 进行 直 线拟 合 , 发 现 高 可靠度的 月兮一 N 拟合线 的相 关系数未达到 临界值 , 故按文 献 〔3] 的方法 , 对一定 寿命下 的 不 同可 靠度的齿根 弯曲疲 劳强 度进行分布检 验 , 证明亦 服从三 参数威布 尔分布 . 再将各个寿命 下相 同可靠 度 时 的强 度进 行直线拟合 , 并按 文献 【21 进行 修正 , 获 得各种 可靠度下 的 S一 R 曲 线方 程 . 其 中可靠 度 为 9 9 % 的 子一 万曲线方程参数是 : m = 5 . 0 6 1 1 22 , e = l . s 4 s Z 13 3 9 2 x l o ’ 8 . 所 以 , 当 N = 3 x 10 6次 时 , 轮齿弯曲疲 劳强度 ( 即齿根弯 曲疲劳极 限应力 )` i。 = 21 3 . 5 MP .a 4 结论 国产材 料 37 51 腼 ZM o v 调 质齿 轮 ( 平 均硬 度 25 5 . 5BH s) 可靠 度 为 9 % 时 的弯曲疲劳极

·570· 北京科技大学学报 1998年第6期 限应力0n=213.5MPa,靠近GB3480相应极限应力框图的下限.因此，和许多国产材料齿 轮一样，在设计国产材料37SiMn2MoV调质齿轮时，亦不可照搬GB3480(亦即IS06336)提 供的极限应力值，而应按我国材料和工艺的实际情况取值. 参考文献 1谈嘉桢.国产材料齿轮的弯曲疲劳强度.机械传动，1996(2)：19 2中华人民共和国标准，齿轮弯曲疲劳强度试验方法.北京：中国标准出版社，1993 3谈嘉祯.齿轮疲劳试验数据统计处理及R一S一N曲线拟合方法.北京科技大学学报，1992,14(2)：166 Test Research on Reliability of Gear-tooth Bending Fatique Strength for Through Hardening Steel 37SiMn2MoV Tao Jin Shi Tiejun Cui Xingshan Tan Jiazhen Mechanical Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT The experimental investigation on the reliability of gear-tooth fatigue strength for through hardening steel 37SiMn2Mov was tested.The tests were carried out on a electro-magnetic resonance fatique test machine of type EMR-1603 (U.K.).Four loading stress levels (of 6 samples each)were conducted.Based on the test data,the R-SN curves and the related equations were fitted.Finally,the limiting bending fatique strength Onim of the 37SiMn2MoV gear-tooth under different reliabilities have been evaluated. KEY WORDS through hardening gear;RSN equation;fatique;reliability

· 57 0 · 北 京 科 技 大 学 学 报 1 998 年 第 6期 限应 力 a ilF m = 2 13 . 5 MP a, 靠 近 BG 34 8 0 相 应极 限应力 框 图的下 限 · 因此 , 和许多国产材料齿 轮 一样 , 在设计 国产 材 料 37 is M ll Z M vo 调 质 齿 轮 时 , 亦 不 可 照搬 GB 3 4 80( 亦 即 15 0 6 3 3 6) 提 供 的极 限应力 值 , 而 应 按我 国材 料和 工艺 的实 际情 况取 值 . 参 考 文 献 1 谈嘉祯 . 国产材料齿轮 的弯 曲疲劳强度 . 机械传动 , 1 9 9 6 (2) : 19 2 中华人民共和国标准 . 齿 轮弯 曲疲劳强度试验方法 . 北京 : 中国标准出版社 , 1 99 3 3 谈嘉祯 . 齿轮疲 劳试 验数 据统计处理及 开一 . , 一 N 曲线拟合方法 . 北京科技大学学报 , 1 9 92 , 14 (2) : 1 6 eT s t eR s e 峨h o n 掩li iab lity o f eG a-r ot o ht B e n d i n g aF it q u e S tre n g ht of r 下ir[ o gu h F 巨dr e 正gn S te e l 37 S IM h ZM O V aT o iJ n 肠i 刀ej u n uC i 石刀g s h a n aT n iJ a hz e n M e c h脚 e al Egn ine e ir n g S c h o o l , US T B e ij i n g , B e ij i n g 10 0 0 8 3 , C h ian A B ST R A C T Th e e x pe ir m e n atl i n v e s it g a it o n o n hte re li iab lity o f g e a-r ot o ht af it g ue s tre n g ht of r ht r o u g h h a r d e in n g s te e l 3 7 S IM nZ M oV w as te s te d . T七e te s ts w e re c arn e d o ut o n a e l e c tr o m ag ne it c re s o n acn e af it q ue te s t m ac ih n e o f ty pe E M -R 1 6 0 3 ( U . K ) . oF u r l o iad n g s tI’e s s l e v e l s ( o f 6 s am P l e s e ac h) w e re c o n du c te d . B as e d o n ht e te s t d a at , het 介一 子一 N c vur e s a n d het er l aet d eq au it o n s w e er if et d . R n al ly , ht e lim iit n g be idn n g ifat q u e s etr n g ht a n i m o f het 3 7 S IM ir Z M o V g e -ar ot o ht un d e r id fe er n t er li a ib liit e s h va e be e n e v al u a et .d K E Y W O R D S ht r o u g h h a r d e in n g g e ar ; 开一 .兮一 N e qu iat o n ; ifat q u e ; er li iab liyt