35CrMo调质齿轮弯曲疲劳可靠性试验

D0I:10.13374/j.issn1001053x.1997.03.016 第19卷第3期 北京科技大学学报 Vol.19 No.3 1997年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing June 1997 35CrMo调质齿轮弯曲疲劳可靠性试验 陶晋 王小群 贾玉国谈嘉祯 北京科技大学机械工程学院，北京100083 摘要论述35CMo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1603 型电磁谐振疲劳试验机上进行的的，分4个应力级，每个应力级的试验样本不少于7个在试验数 据基础上，拟合出R-S-N曲线及方程，最后求得不同可靠度下35CMo调质齿轮轮齿的弯曲疲 劳强度极限， 关键词齿轮，R-S一N曲线，可靠性，弯曲疲劳强度 中图分类号TH132.413 设计合金钢调质齿轮所需的疲劳极限应力值，在国标GB3480-83中是照搬ISO的数 据，它与我国齿轮在材料性能和热处理工艺方面均存在着较大的差异.此外，GB3480-83提 供的数据不能满足齿轮不同可靠度设计的要求，也不能对齿轮进行不同可靠度的寿命预测. 为此，本文对国产材料35CMo调质齿轮进行了轮齿弯曲疲劳试验研究，求得其弯曲 R一S一N方程和不同可靠度下的弯曲疲劳极限应力值，为这种齿轮的可靠度设计和寿命预 测提供了基础数据 1试验方法和失效判据 试验机是英国制造的1603型电磁谐振疲劳试验机，加载精度较高.试验齿轮参数： m=4.5mm,z=33,b=14mm,x=0,a=20°，B=0°.试验齿轮工艺路线：毛坯锻造→正火，870 ℃保温1h,空冷→粗车毛坯→调质处理→精车毛坯→滚齿.其中调质工艺：860℃保温 40min,油淬；650~660℃，回火.经检验，轮齿平均硬度281HB;齿根表面粗糙度R=25μm; 化学成分及力学性能均符合GB3077-88的规定 采用双齿脉动加载法试验：加载频率为150Hz;分成4个载荷级加载，每级试验样本不少 于7个试验应力的计算采用GB/T14230-930.被试齿在全部12个试验齿轮中随机抽取， 并按间隔一齿原则抽取.以轮齿折断或轮齿裂纹扩展到使载荷下降达10%而自动停机时为 失效判据 2试验数据处理及R-S-N曲线方程拟合 各应力级轮齿失效寿命如表1所列 1996-06-30收稿.第一作者女38岁讲师 *机械工业部科技基金项目

第 19 卷 第 3期 1 9 9 7年 6月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n i v e r s i ty o f 反 i e n e e a n d T e e h n o l o g y B e i ji n g V o l . 1 9 N o . 3 J u n e 1 9 9 7 3 5 c r M 。 调 质齿轮弯曲疲劳可 靠性试验 ` 陶 晋 王 小群 贾玉 国 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 3 5 C r M o 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 1 6 03 型 电磁谐振 疲劳试验机上 进行 的的 , 分4 个 应力级 , 每个应 力级的试验样本不 少 于 7 个 . 在 试验数 据基础上 , 拟合 出 R 一 S 一 N 曲线及方程 , 最后 求得不 同可靠度下 3 5 C r M 。 调 质齿轮轮齿的弯曲疲 劳强度 极限 , 关键词 齿轮 , R 一 S 一 N 曲线 , 可 靠性 , 弯 曲疲劳强 度 中图分 类号 T H 1 3 2 . 4 1 3 设计 合 金 钢调 质 齿轮 所需 的 疲劳 极 限应力 值 , 在 国标 C B 3 4 8 0 一 83 中是 照搬 15 0 的数 据 , 它 与 我 国齿 轮在 材料 性 能和 热处理 工艺 方面 均存 在着 较大 的差 异 . 此 外 , G B 3 4 8 0 一 83 提 供 的数据 不 能满 足 齿 轮不 同可靠 度设 计 的要 求 , 也 不 能对 齿 轮进 行 不 同可靠 度 的 寿命 预测 . 为 此 , 本 文 对 国 产 材 料 35 C r M 。 调 质 齿 轮 进 行 了 轮 齿 弯 曲 疲 劳 试 验 研 究 , 求 得 其 弯 曲 R 一 S 一 N 方 程 和不 同可靠 度 下 的弯 曲疲 劳极 限 应力 值 , 为这 种齿 轮 的可 靠度 设 计和 寿命预 测 提供了基 础数据 . 1 试验方 法和 失效判据 试 验 机 是 英 国 制 造 的 16 03 型 电磁 谐 振 疲 劳 试 验 机 , 加 载 精 度 较 高 . 试 验 齿 轮 参 数 : m 科 . 5 m m , : 一 3 , b 一 14 m m , x 一 0 , a 二 20 。 , 月二 0 . 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 、 调 质处理 、 精 车毛 坯 一 滚 齿 . 其 中调 质 工艺 : 8 60 ℃ 保 温 40 m in , 油 淬 ; 6 50 一 6 0 ℃ , 回 火 . 经检验 , 轮 齿平均 硬度 2 8 1 H B ; 齿根 表 面 粗糙度 凡一 25 卜m ; 化学 成分 及力 学性 能 均符 合 G B 3 0 7 7 一 8 的规定 . 采 用双 齿脉 动加 载 法试 验 : 加载 频率 为 150 比; 分成 4 个载 荷级 加载 , 每级 试验 样本 不少 于 7 个 . 试 验 应力的 计算 采 用 G B/ T 14 2 3 0 一 93 川 . 被 试 齿在 全 部 12 个试 验齿 轮 中 随机抽 取 , 并 按 间 隔一 齿 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 机 时为 失效判据 . 2 试验数据处理及 R 一 S 一 N 曲线方程拟合 各应力 级 轮齿失 效 寿命 如表 l 所 列 . 19 96 一 06 一 30 收稿 第一作者 女 38 岁 讲师 * 机械工业部科技基金项 目 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1997. 03. 016

*296· 北京科技大学学报 1997年第3期 表1轮齿失效寿命（应力循次数） 样品数 齿根应力级，a/N·mm2 0r1=665.82 0=623.11 0s=580.56 04=538.15 1 0.1619×10 0.1882×10 0.2678×10 0.5195×10 2 0.1704×10° 0.2387×10 0.2892×10° 0.7575×10 3 0.1824×10 0.2708×10 0.3866×10° 0.8088×10 4 0.1951×10 0.3276×10 0.5220×10 1.0526×10 0.1951×10 0.3779×10 0.5435×10 1.1389×10 0.2661×10 0.3989×10 0.7495×10° 1.7260×10 7 0.3542×10 0.5127×10 0.7682×105 >3×106 8 0.9233×10 >3×10 9 >3×106 经过分布检验，4个应力级的寿命均服从对数正态分布，其分布参数如表2所列. 表2各应力级失效寿命分布参数 or/(N.mm) 分布参数 均值标准差 相关系数 665.82 12.488 0.420 0.910 623.11 12.919 0.466 0.996 R=0.10 580.56 13.494 0.637 0.978 R=0.50 538.15 14.377 0.740 0.975 080 齿轮疲劳曲线方程为： 0.90 R=0.95 mi Ino+InN InC 式中，0为任意寿命时的齿根弯曲疲劳 R0.99 极限应力，N/mm;N为寿命（应力循环 次数)；m为试验指数；C为试验常数.拟 105 1053×105 103 M次 合所得的R-S-N所列线图见图I;R 图135CrMo调质齿轮轮齿弯曲的 -S-N方程参数如表3. R一S一N线图(In坐标) 表3R-S一N议程参数（修正后）及OAm 可靠度R 方程指数m 方程常数lnC 极限应力(N3×10次) OAm/(N·mm 0.10 14.500697 98.367676 315.81 0.50 11.084700 77.593582 285.60 0.80 9.048539 65.211700 259.47 0.90 8.042283 59.093193 243.07 0.95 7.241106 54.221275 227.77 0.99 5.800776 45.463406 193.72 3结论 国产材料35CrMo调质齿轮（平均硬度281HBS)可靠度为99%时的弯曲疲劳极限应力

. 2 9 6 . 北 京 科 技 大 学 学 报 1 9 9 7 年 第3期 表 1 轮齿失效寿命(应 力循次数) 样 品数 齿根应力级 , a/ N · m m 一 2 a F I= 6 6 5 . 8 2 0 . 1 6 1 9 义 1 0 6 0 . 1 7 0 4 x 10 6 0 . 1 8 2 4 x 一0 6 0 . 1 9 5 1 x 1 0 6 0 . 1 9 5 1 火 1 0 6 0 . 2 6 6 1 x 1 0 6 0 . 3 5 4 2 x 1 0 6 a 尺 = 6 2 3 . 1 1 0 . 1 8 8 2 义 1 0 6 0 2 3 8 7 x 10 6 0 . 2 7 0 8 x 10 6 0 . 3 2 7 6 x 1 0 6 0 3 7 7 9 义 10 6 0 . 3 9 8 9 x 10 6 0 . 5 一2 7 火 1 0 6 a 曰 = 5 8 0 . 5 6 0 2 6 7 8 只 一0 6 0 2 8 9 2 义 1 0 6 0 . 3 86 6 x 一0 6 0 . 5 2 2 0 x 1 0 6 0 . 5 4 3 5 x 1 0 6 0 . 7 4 9 5 义 10 6 0 . 7 6 8 2 x 10 6 0 . 92 3 3 x 10 6 a 只 = 5 3 8 . 15 0 5 19 5 x l 0 6 0 . 7 5 7 s x 一0 6 0 . 5 0 5 8 火 10 6 1 . 0 5 2 6 x 10 6 1 . 1 3 8 9 x l 0 6 1 . 7 2 6 0 x 1 0 6 > 3 x 10 6 > 3 x 10 6 > 3 x 1 0 6 经过 分布 检验 , 4 个应 力级 的寿命均 服从 对数正态分布 , 其分 布参数如表 2 所列 . 表2 各应力级失效寿命分布参数 a r , /( N · m m ) 分布参数 ǎ 。 卜 日 · 乙\古 66 5 . 8 2 6 2 3 . 1 1 5 8 0 . 5 6 5 3 8 . 1 5 均值 1 2 . 4 8 8 1 2 9 1 9 1 3 . 4 9 4 14 . 3 7 7 标 准差 0 . 4 2 0 0 . 4 6 6 0 . 6 3 7 0 7 4 0 相 关系 数 0 . 9 10 0 . 9 9 6 0 . 9 7 8 0 . 9 7 5 齿轮 疲劳 曲线 方程 为 : m I an ; + I n N = I n C 式 中 , a 。 为任意 寿命 时 的 齿 根 弯 曲疲 劳 极 限 应 力 , N / m m Z ; N 为 寿 命 (应 力循 环 次数 ) ; m 为 试验 指 数 ; C 为 试验 常 数 . 拟 合 所 得 的 R 一 S 一 N 所 列 线 图 见 图 1 ; R 一 S 一 N 方程 参数如 表 3 . 添 、 嘱厦火 !1 、 一 及 二 0 . 10 l 丫灭蕊 =R 。 . 乡钻 、 =R 。 {乙 、心 . 月片 0 . 9 (0 . 尺异 0 . 9 二5 } 、 . 人片0 9` l 1 0 5 10 6 3 x l 0 6 10 7 N/ 次 图 1 3 5C r M O调质齿轮轮齿弯 曲的 开一 ` , 一 N 线图 ( in 坐标 ) 表 3 卜 5一 N 议程参数 (修正后 )及如 mr 可 靠度 R 0 . 10 0 . 5 0 0 . 8 0 0 . 9 0 0 , 9 5 0 . 9 9 方程指数 。 1 4 . 5 0 0 6 9 7 1 1 . 0 8 4 7 0 0 9 . 0 4 8 5 3 9 8 . 0 4 2 2 8 3 7 . 2 4 1 10 6 5 . 8 0 0 7 7 6 方程常数 In C 9 8 , 3 6 7 6 7 6 7 7 . 5 9 3 5 8 2 6 5 . 2 1 1 7 0 0 5 9 , 0 9 3 19 3 5 4 . 2 2 1 2 7 5 4 5 . 4 6 3 4 0 6 极限应力 (脸3 x l 0 6 次 ) a o l 。 / ( N · tnm ` , ) 3 1 5 . 8 1 2 8 5 . 60 2 5 9 . 4 7 2 4 3 . 0 7 2 2 7 . 7 7 1 9 3 . 7 2 3 结 论 国产 材料 35 C r M o 调 质齿 轮 (平均 硬度 28 1 H B )S 可 靠度 为 9 % 时 的弯曲疲 劳极 限应 力

Vol.19 陶晋等：35CrMo调质齿轮弯曲疲劳可靠性试验 ·297· 为：om=193.72N1mm,处于GB3480-83相应的极限应力框图的下限以下.因此，在设 计国产材料35CrMo调质齿轮时，不应照搬GB3480-83(亦即ISO)的弯曲疲劳极限应力值. 参考文献 1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 2谈嘉祯，边学新，三参数威尔分布置信限的确定和C-R-S-V曲线的拟合，北京科技大学学报， 1994,16(5):425 Test Research on the Reliability of Gear-tooth Bending Fatigue Strength for Through Hardening Steel 35CrMo Tao Jin Wang Xiaoqun Jia Yuguo Tan Jiuzhen Mechanical Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,Chuna ABSTRACT Deals with the experimental investigation on the reliability of gear-tooth fatigue for through hardening steel 35CrMo.The tests were carried out on a electro-mag- netic resonance fatigue test machine of type 1603 (U.K.).Four loading stress levels (7 sample for each test )were conducted.Based on the test data,a R-S-N curve and related equation were fitted.Finally,the limiting bending fatigue strengh of the 35CrMo gear-tooth under different reliability have been evaluated. KEY WORDS gear.R-S-N curve,reliability,bending fatigue strength

V o l . 1 9 陶 普等: 3 5C rM o调 质齿轮弯曲疲劳可 靠性试验 · 2 9 7 · 为 : a o n 一 193 . 72 N /m m Z , 处于 G B 3 4 8 0 一 83 相应 的极 限 应力 框 图的下 限 以 下 . 因 此 , 在 设 计 国产材 料 35 C r M o 调质 齿 轮时 , 不 应 照搬 G B 3 4 8 0 一 83 (亦 即 15 0 ) 的弯 曲疲 劳极 限应力值 . 参 考 文 献 l 中华人 民共和 国标准 . 齿轮弯曲疲 劳强 度 试验方法 . 北京 二中国 标准出 版社 , } 9 93 2 谈 嘉祯 , 边学 新 . 三参数 威 尔分布 置 信 限 的确 定和 C 一 R 一 S 一 N 曲线 的拟 合 . 北 京 科技大 学学报 , 19 9 4 , 1 6 ( 5 ) : 4 2 5 T e s t R e s e a r e h o n t h e R e l i a b i l iyt o f G e a r 一 t o o ht B e n d i n g F a t i g u e S t r e n g t h fo r T h r o u g h H a r d e n i n g S t e e l 3 5C r M o aT o iJ n Wa ng Xi a(, 卯 n ’lJ a ) ’.u g u口 aT n l(J 了功 阴 M e e h a n l e a l E n g 飞 n e e n n g S e h o o l , U S T B e ij i n g , B e ij i n g 10 0 0 8 3 , C } u n a A B ST R A C T 块 a l s w i t h het e x pe ir m e n at l i n v e s it g iat o n o n ht e er li a b ili yt o f g e a r 一 to o th fa it g u e fo r ht r o u g h h a dr e n i n g s et e l 3 5 C r M o . hT e et s st w e er e a nr e d o u t o n a e l e c otr 一 m a g - n e it c er s o n an e e fa it g u e te s t m ac hi n e o f yt pe 1 6 0 3 ( U . K ) . oF u r l o a d i n g s t er s s l e v e l s ( 7 s am P l e fo r e ac h et s t ) w e er c o n d u e te d . B a s e d o n ht e et s t d a at , a R 一 S 一 N e u vr e a n d er l a et d e q u a t i o n w e er fl t te d . iF n a lly , t h e lim iit n g be n d i n g af it g u e s ter n g h o f th e 3 5 C r M o g e a -r t o o ht u n d e r d i fe er n t er li a bil i t y h a v e be e n e v a l u a et d . K E Y W O R D S g e a r , l寸一 S 一 N e u 脚e , er li a b il 一ty , be n d i n g af t ig u e s t er n g th