40Cr调质齿轮弯曲强度可靠性试验研究

0I:10.13374/j.1ssn1001-053x.1997.05.014 第19卷第5期 北京科技大学学报 Vol.19 No.5 1997年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.1997 40Cr调质齿轮弯曲强度可靠性试验研究 陶晋王小群谈嘉祯 北京科技大学机械工程学院，北京100083 摘要论述了40C钢调质齿轮轮齿弯曲疲劳强度可靠性的试验研究.试验是在4个应力水平（每 个应力水平的样本不少于6个)上进行的.在试验数据基础上，拟合出R一S一N曲线及方程.最终 获得40Cr钢调质齿轮轮齿在不同可靠度时的弯，弯曲疲劳强度值. 关键词调质齿轮，弯曲疲劳，R一S一W曲线 中图分类号TH132.413 合金钢调质齿轮是我国机械、冶金行业广泛应用的齿轮，但是设计它所需的基础数据一 疲劳极限应力值，GB3480-83中是照搬ISO的数据.但ISO的试验齿轮与我国齿轮在材料性 能和热处理工艺方面均存在较大的差别.GB3480-83所提供的数据与我国齿轮的真实极限应 力值是否相符，未经证实.因而据此设计国产材料齿轮具有很大的风险.此外，GB3480-83提 供的数据不能满足齿轮不同可靠度的设计要求，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40C调质齿轮进行了轮齿弯曲疲劳试验研究，求得了这种齿轮弯 曲的R一S一N曲线簇方程以及各种可靠度下的弯曲疲劳极限应力值，为这种齿轮的可靠度 寿命预测提供了基础数据， 1试验机和试验齿轮 试验机是英国1603型电磁谐振疲劳试验机.该试验机加载精度较高，加载范围为 ±100kN,加载频率范围为100~200Hz. 试验齿轮工艺路线：轮坯锻造→正火，870℃，保温1h,空冷→精车毛坯→调质处理→精车 毛坯→滚齿.其中调质工艺是：860℃，保温40mi,油淬，610~620℃回火.齿坯平均硬度 265HB.经检测，化学成分及力学性能均符合GB3077-88的规定.试验齿轮几何参数： m=4.5mm,齿宽b=14mm,B=0,x=0,齿根表面粗糙度R=25μm. 2试验方法和失效判据 采用双齿脉动加载试验法试验.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GBT14230-93).被试轮齿在所有试验齿轮中随机抽取，并按至 1996-03-25收稿第一作者女39岁。讲师 ◆机城工业部科技基金项目

第 1 9卷 第5期 19 9 7年 1 0月 北 京 科 技 大 学 学 报 OJ u r n a l o f nU i v e r s iyt o f 反 i e n e e a n d T e e h n o l o g y B e ij i n g V o l . 1 9 N o . 5 ( k t . 1 9 9 7 40 c : 调 质齿 轮弯曲强度 可靠性试验研究 ’ 陶 晋 王 小群 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 了 4 0 C r 钢调质齿轮轮齿弯 曲疲劳强度可 靠性 的试验研究 . 试验是在 4 个应力水平 ( 每 个应 力水平 的样本不 少于 6 个 ) 上进行的 . 在试验数据基 础上 , 拟合 出 开一 S 一一刀曲线及方 程 . 最终 获得 4 0C r 钢调质齿轮轮齿在 不同可靠度时的弯 , 弯曲疲劳强度值 . 关键 词 调质齿轮 , 弯曲疲劳 , 开一 马 坚一 N 曲线 中图分类号 T H 1 32 . 4 1 3 合 金 钢调 质 齿轮是 我 国机 械 、 冶金 行业 广泛 应用 的齿 轮 , 但是 设计 它所 需 的基 础数 据一 疲劳 极 限应 力 值 , G B 34 80 一 83 中是 照 搬 15 0 的数 据 . 但 15 0 的 试验 齿轮 与我 国 齿轮 在材 料性 能和 热处理工 艺方 面均 存在较 大 的差别 . G B 3 4 8 0 一 83 所 提供 的数 据 与我 国齿轮 的真实极 限应 力值是 否相 符 , 未 经证 实 . 因而 据此 设 计 国产材 料 齿轮 具 有很 大 的 风险 . 此外 , G B 3 4 8O 一 83 提 供 的 数 据 不 能 满 足 齿 轮 不 同可 靠 度 的设 计 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 4 0 C r 调质 齿轮 进行 了轮齿 弯曲疲 劳试验 研 究 , 求 得 了 这 种齿轮 弯 曲 的 介一 昌梦一 N 曲线 簇方程 以 及各种 可靠 度 下 的弯 曲疲 劳极 限应 力 值 , 为这 种 齿 轮 的可靠 度 寿命预测 提供了基础 数据 . 1 试验机和 试验齿轮 试 验 机 是 英 国 16 0 3 型 电 磁 谐 振 疲 劳 试 验 机 . 该 试 验 机 加 载 精 度 较 高 , 加 载 范 围 为 士 10 0 k N , 加载 频率 范 围 为 10 0 一 2 0 0 zH . 试 验齿 轮 工艺 路线 : 轮 坯 锻造 * 正火 , 8 70 ℃ , 保温 l h , 空 冷、 精 车 毛坯、 调 质处 理 。 精 车 毛 坯 一 滚 齿 . 其 中 调 质 工 艺 是 : 8 60 ℃ , 保温 40 m in , 油 淬 , 61 0 一 62 0 ℃ 回 火 . 齿 坯 平 均 硬 度 26 5 H B . 经 检 测 , 化 学 成 分 及 力 学 性 能 均 符 合 G B 3 0 7 一 8 的 规 定 . 试 验 齿 轮 几 何 参 数 : m = 4 . 5 m m , 齿 宽 b = 14 nmr , 声= 0 , x = o , 齿 根 表面粗糙 度 R z = 2 5 卜m . 2 试验方 法和 失效判据 采用 双齿脉 动加 载 试验法 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 G B 厅 14 23 0 一 93 川 . 被试 轮齿 在所有 试验 齿 轮 中随机抽取 , 并按至 19 9 6 一 0 3 一 2 5 收 稿 第一作者 女 39 岁 讲师 * 机械工业部科技基金 项 目 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1997. 05. 014

Vol.19 No.5 陶晋等：40C调质齿轮弯曲强度可靠性试验研究 ·483· 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%而自动停机时为 失效判据. 3试验数据处理和R一S一N曲线方程拟合 4个应力级下的轮齿失效寿命如表1所列. 经分布检验，4个应力级的寿命均服从三参数威布尔分布，按文献[2]求得各应力级的寿 命分布参数如表2所列. 表1轮齿失效寿命 序号 轮齿失效寿命/10°次 467.2MPa 424.3MPa 381.6MPa 339.0MPa 0.1404 0.1573 0.2919 0.3879 2 0.1508 0.1723 0.3024 0.4890 3 0.1572 0.1857 0.3250 0.5657 0.1738 0.1872 0.3343 0.5738 5 0.1901 0.1984 0.3714 0.6332 6 0.2060 0.2117 0.4056 0.7195 7 一 0.2423 0.6355 0.7518 0.6668 1.0813 >3 表2各应力级寿命威布尔分布参娄数 应力/MPa 最小安全寿命 特征寿命N(10 (10应力循环)次应力循环)/次 形状参数b 相关系数临界值rmn 467.2 0.0120 0.1992 6.557 0.811 424.3 0.0120 0.2254 6.955 0.811 381.6 0.2656 0.5746 1.052 0.811 339.0 0.2656 1.0039 1.771 0.811 齿轮弯曲疲劳曲线方程表达式 为： 表3 R一S一N曲线方程参数及OAum值 dN=C 可靠度 方程参数 相关系数Onm/MPa 式中，0。一齿根弯曲疲劳极限应 R/% C (W=10周时) 力，MPa;N一-寿命，应力循环次数，次； 10% 7.111 5.624×107 -0.955 331.4 C一试验常数；m一试验指数. 50% 5.321 8.449×102 -0.976 268.8 80% 4.383 2.348×1010 -0.980 424.3 将4个应力级的同可靠度的寿命 90% 4.043 0.267×1010 -0.982 214.7 按最小二乘法进行直线拟合，并按 99% 4.240 0.656×1010 -0.955 206.7 GBT14230-93所规定方法修正，获得 R一S一N曲线簇方程.该曲线方程的 参数及on值一起列入表3

V o l . 19 N o . 5 陶晋等 : 4 0 C r调质齿轮弯曲强度可 靠性试验研究 . 4 8 3 . 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 机 时为 失 效判 据 . 3 试验数据处理和 R一子一万 曲线方程拟合 4 个 应力 级下 的轮 齿失效 寿命如表 1 所列 . 经分 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 [2] 求 得各 应 力级 的寿 命分布 参数 如表 2 所 列 . 表 1 轮齿失效寿命 序号 轮齿失效寿命 / 10 “ 次 4 6 7 . 2 M l ) a 4 2 4 . 3 M P a 0 . 14 0 4 0 . 1 5 0 8 0 . 15 7 2 0 . 17 3 8 0 . 19 0 1 0 . 2 0 6 0 0 . 15 7 3 0 . 17 2 3 0 . 18 5 7 0 . 18 7 2 0 . 19 8 4 0 . 2 1 1 7 0 2 4 2 3 3 8 1 . 6 M Pa 0 2 9 1 9 0 . 3 0 2 4 0 . 32 5 0 0 . 334 3 0 . 3 7 1 4 0 . 4 0 5 6 0 . 6 3 5 5 0 . 6 6 6 8 33 9 . 0 M P a 0 3 87 9 0 . 4 89 0 0 . 5 6 5 7 0 . 5 7 3 8 0 6 3 3 2 0 7 1 9 5 0 . 7 5 1 8 1 . 0 8 1 3 9 一 一 一 > 3 表2 各应力级 寿命威布尔分布参类数 应力 / M P a 最小安全寿命 ( 1 0 6应力循环 ) /次 特征寿命 aN ( 1 0 6 应力循环 ) /次 形状参数 b0 相关系数临界值 r ~ ō081.l 4 67 . 2 4 2 4 . 3 38 1 . 6 339 . 0 0 . 0 1 2 0 0 . 0 1 2 0 0 2 6 5 6 0 2 6 5 6 0 . 19 9 2 0 . 2 2 5 4 0 . 5 7 4 6 1 . 00 3 9 6 . 5 5 7 6 . 9 5 5 1 . 0 5 2 1 . 7 7 1 齿 轮 弯 曲疲 劳 曲线 方 程 表 达 式 为 : 衅N = C 式 中 , a F 一 齿 根 弯 曲 疲 劳 极 限 应 力 , M P a ; 刃` 一 寿命 , 应 力 循 环 次数 , 次 ; 。 一 试验 常数 ; ~ 试 验指数 . 将 4 个 应力 级 的 同可 靠度 的寿命 按 最 小 二 乘 法 进 行 直 线 拟 合 , 并 按 G B厅 14 2 3 0 一 9 3 所 规定 方 法 修 正 , 获 得 介一 5 一 一 N 曲 线 簇方 程 . 该 曲 线方 程 的 参数及气 mr 值 一起 列人 表 3 . 表3 介一 子一 N 曲线方程参数及 u ilF m值 可靠度 R / % 方程参数 相关系数 a o lm / M P a m C r (帷 10 6周时 ) 10% 5 0% 8 0% 9 0% 9 9% 7 , 1 1 1 5 , 3 2 1 4 . 3 8 3 4 0 4 3 4 2 4 0 5 . 6 2 4 x l 0 17 8 4 4 9 x l 0 12 2 . 3 4 8 x l o l o 0 2 6 7 x l 0 10 0 . 6 5 6 x l o l o 一 0 . 9 5 5 一 0 . 9 7 6 一 0 . 9 8 0 一 0 .9 8 2 一 0 月5 5 3 3 1 . 4 2 6 8 名 4 2 4 . 3 2 1 4 . 7 2 0 6 . 7

·484· 北京科技大学学报 1997年第5期 4结论 国产材料40Cr调质齿轮（齿面平均硬度265HBS),可靠度为99%时的弯曲疲劳极限应 力为206MPa,处于GB3480-83中极限应力框图的下限以下.在设计国产材料40Cr调质齿轮 时，不可以照搬GB3480-83中的弯曲极限应力值， 参考文献 1中华人民共和国标准(GB/T14230-93).齿轮弯曲疲劳强度试验方法.北京：北京标准出版社，1993 2谈嘉祯.三参数威布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，1994， 16(5):429~430 Reliability of Gear-Tooth Bending Fatigu Strength for Through Hardened and Tempered Steel 40Cr Tao Jin Wang Xiaqun Tan Jiazhen Mechanical Engineering School,UST Beijing.Beijing 100083,China ABSTRACT The experimental investigation on the reliability of gear-tooth fatigue strength of hardened and tempered steet 40Cr is dealt with.Four loading stress levels (6 samples each)are conducted.Based on the test data,a RS-N curve and the related equation were fitted.Finally the limiting bending fatigue strength of the 40Cr gear-tooth under different reliabilities are evaluated. KEY WORDS hardened and tempered gear,bendening fatigue,RS-N curves

. 4 8 4 . 北 京 科 技 大 学 学 报 1 9 9 7 年 第5期 4 结论 国产 材料 40 C r 调 质齿 轮 ( 齿 面平均 硬度 2 65 HB S) , 可靠度 为 9 % 时 的弯 曲疲 劳极 限应 力 为 20 6 M P a , 处于 G B 3 4 8 0 一 83 中极 限应力 框 图 的下 限 以 下 . 在 设计 国产材 料 40 C碉 质齿 轮 时 , 不可 以 照 搬 C B 3 4 8 0 一 83 中的弯曲极 限应 力值 . 参 考 文 献 1 中华人 民共和 国标准 (GB 厅1 4 2 30 一 9 3) . 齿 轮弯 曲疲劳强度试验 方法 . 北京 : 北京标准 出版社 , 19 9 3 2 谈 嘉 祯 . 三 参 数 威 布尔 分 布 置 信 限的 确定 和 〔 卜一 开一 子一 N 曲线 的拟 合 . 北 京科 技 大 学 学 报 , 】9 9 4, 1 6 ( 5 ) : 4 2 9~ 4 3 0 R e l i ab i l i yt o f G e ar 一 T o o th B e n d i n g F at i g u S t r e n g t h of r T hr o u g h H ar d e n e d a n d T e m P e r e d S t e e l 4 OC r aT o ij ” Wa n g 石a q u n aT n iJ a hz e n M e e h a l l i e al nE g i n e e ir gn 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 hi n a A B ST R A C T T h e e x pe ir m e n tal i n v e s it g a it o n o n ht e re li a b ility o f g e a r 一 t o o ht fa it g u e s tre n g ht o f h a rd e n e d an d te m pe re d s te e t 4 OC r 1 5 d e a l t w i t h · oF u r l o a d i n g s t re s s l e v e l s ( 6 s am P l e s e ac h ) a re e o n d uc te d . B as e d o n ht e te s t d a ta , a 开 一一 S一 N e u vr e a n d t h e er l a et d e q au it o n w e er if t et d . R n al l y ht e l im iit n g be n d i n g af it g u e s ter n g t h o f ht e 4 0 C r g e a r 一 t o o t h u n d e r d i fe er n t er li a b iliit e s a er e v al u a et d . K E Y W O R D S h a r d e n e d an d et m pe er d g e a r , be n d e n i n g af it g u e , 介一5一 N e u vr e s