滚压强化齿轮的疲劳强度分析

0 引言

齿轮作为曲柄连杆机构的重要运动构件之一，在发动机内部的动力系统中，齿轮在高度运转下会承受极大的弯曲应力，是维持发动机正常运行重要的零件之一

。滚压强化技术能有效提高材料抗疲劳性能、耐磨损性能，增强齿轮性能

。本文基于滚压强化技术，结合柴油机齿轮的实际工况进行疲劳试验，对比强化工艺前后齿轮疲劳强度变化情况。

1 静力学分析及夹具设计

齿轮轮齿在工作状态下可以简化悬臂梁，齿面法向载荷作用下，齿根处将产生弯曲应力。轮齿在周期性变化的弯曲应力作用下，在应力集中最严重的齿根处经常率先出现裂纹。随着裂纹不断的扩展，当有效承载面不足以支承时，裂纹会迅速扩展，甚至发生轮齿断裂。因此，对齿轮弯曲疲劳强度进行研究具有重要的意义。

GB/T14230-1993 《齿轮弯曲疲劳强度试验方法》规定了两种方法：(1)A 试验法—齿轮台架运转试验，将试验齿轮副安装在齿轮试验机上进行负荷运转试验；(2)B试验法—齿轮单齿脉动加载试验，在脉动疲劳试验机上利用专门的夹具，对试验齿轮的轮齿进行脉动加载，直至轮齿出现弯曲疲劳失效或越出。本项目采用B试验法—齿轮单齿脉动加载，加载压头采用厚实的钢块以保证刚度，载荷作用在轮齿接近齿顶的齿面上，同时施加在轮齿上的载荷作用线与试验齿轮的基圆相切，图1为单齿加载夹具。

枇杷(Eriobotrya japonica)又名卢橘，属蔷薇科枇杷属植物，是一种具有药用价值的小型亚热带常绿果树。枇杷原产于我国东南部，在我国已经有了2 200多年的栽培历史，主要分布在华东、中南和西南地区[1]，另外在日本、西班牙、土耳其、巴西等国家也有种植和栽培[2]。枇杷的果实、核仁、叶子、花均可入药，具有润肺止咳、降逆止呕的作用[3]。目前已经从枇杷中分离出黄酮类、酚类、萜类和苦杏仁苷等成分，其药理作用主要集中在抗氧化、抗炎止咳、抑菌、抗肿瘤、保护胃黏膜、降血糖和抗过敏等方面。本文对枇杷主要生物活性成分及药理作用进行全面深入的概括，以期为枇杷资源的综合利用提供科学依据及参考。

为提高试验效率、尽可能减少不必要的试验次数，合理选取齿轮疲劳试验时的弯矩载荷范围就显得尤为重要，本文基于柴油机齿轮的最大屈服应力值对齿轮疲劳试验的初始弯矩进行范围界定。

(1)确定试验中发动机结构所受的疲劳载荷和要求满足的剩余强度

。

通过对齿轮疲劳试验的静力学有限元分析，可准确定位设计的夹具对疲劳试验部件所产生集中载荷的具体位置，明确齿轮应力集中现象的具体聚集方位，同时可协助齿轮疲劳试验选择恰当的加载力范围，为提高试验效率提供参考依据

。依据齿轮设计方案进行了网格划分。如图3所示。在进行网格划分时，对应力集中部位，即计算数据变化梯度较大的部位，划分较细的网格。划分网格时考虑选取网格大小为2mm。齿轮整体结构网格划分节点数及单元数分别为656201，458325。网格质量系数为0.8216，网格划分质量好。

2 齿轮疲劳强度试验

本文中重合点是指两个坐标系下均有坐标成果的固定控制点。仙居县国土资源空间数据多以1980西安坐标系为主，因此重合点必须同时具有1980西安坐标系和2000国家大地坐标系的坐标值。重合点选取的基本原则为等级高、精度高、局部变形小、分布均匀、覆盖整个转换区域[8]。选取的重合点要分析其现势性，对测量年代已久的重合点要实地进行坐标检核，若重合点存在现势坐标与原测量坐标较差超限的，则剔除不用。经收集，仙居县满足以上要求的重合点有GNSS C级点，共18个。

我省地处黄土高原，是全国水土流失最严重的省份之一，水土流失面积10.8万平方公里，占总土地面积的69%。面对生态窘境，我省水土保持投入力度不断加大，治理范围不断扩大，尤其是中央水利发展资金水土保持、坡耕地水土流失综合治理、黄土高原固沟保塬、京津风沙源水土保持等重点工程项目，综合治理成效显著。永和的红枣、石楼的核桃、隰县的玉露香梨……给群众带来了实实在在的获得感、幸福感。

(2)进行疲劳裂纹试验时，疲劳寿命选取较高，寿命级差要符合要求。当试验的循环周次到达选定寿命而试件未破坏，则对试件采取静态强度试验，将静态强度试验中的最大载荷作为试件的剩余强度

，若

<

，即为“破坏”;若

≥

，即为“越出”。分别为试件到达疲劳寿命后未断裂且仍满足剩余强度和不满足剩余强度。若试样未到达选定疲劳寿命就发生断裂，直接认为“破坏”。

本试验所用的PLG系列高频疲劳试验机，试验频率范围(Hz)：80—250(Hz)，最大静态试验力±100kN，最大动负荷(峰值)：50kN。采用非运转式高频脉动齿轮试验机进行齿轮轮齿弯曲疲劳试验，整个试验过程中，试验齿轮始终处于静止状态，而压在轮齿上的压头作脉动循环加载，从而使轮齿产生疲劳折断。图2 为齿轮疲劳试验夹具。

各种疲劳试验方法的试验时间和试验精度各不相同，应该根据具体情况选择合适的方案。本试验根据试验原理和组织规划的要求，采用配对升降法进行疲劳测试。

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配对升降法要求有效数据6对以上，应力水平保持在4到5级之间，两级应力差稳定在5%以内。循环次数要求在10

～10

次之间。配对升降法具体步骤如下：

(3)当试件发生“破坏”，则将选取的疲劳寿命降低一级，后续的一个试件重复之前同样载荷的疲劳试验和静态强度试验，根据试验结果判断试验为“越出”或“破坏”。若试件发生“越出”，则将疲劳寿命升高一级，后续试验步骤同发生“破坏”时一致。直到试验结束。

如，在机械制图课程中，教师可以结合准备好的图纸引导学生欣赏，然后再针对性地提出问题，吸引学生，让学生们可以全身心地投入其中。当学生真正地融入到主体角色以后，其学习积极性和学习潜能是很难估量的。之后，借助导入，将教师教学和学生学习巧妙地融合起来，循序渐进、层层深入地达到教学的目标。

(4)有效数据要从两个数据点第一次出现相反结果开始记录。当试验中产生3～6对有效数据时，根据有效数据的终点为“越出”或“破坏”，预测到在试样寿命某一级上也存在一个数据点，若这个数据点与有效数据的起点位于同一寿命级上，则试验数据闭合。

配对升降法规定当试样所受应力水平是定值时，试样经过1×10

循环而不发生破坏，则认为在该定值应力下试样的寿命是无限的，规定这一应力水平为试样的疲劳强度。把材料疲劳强度的5%当作应力台阶

，把材料屈服强度的60-70%当作初始应力水平

。在应力

下进行第一个试验，如果在该应力水平下试样发生破坏，则说明其疲劳寿命低于1×10

循环次数，因此下一个试样的试验应力要下调到

-

，反之下一个试样试验应力要上调到

+

。首个除外，每个试样应力水平都由上一个试样寿命是否超过1×10

循环次数来决定。试验中，当第

个试样发生破坏，则第

+1个试样降低一级应力水平，反之增加一个应力级别，直到试验完成。初始应力水平的选取对试验结果会产生重要的影响，当相邻应力水平试样首次出现相反结果时，开始升降法数据的统计，避免了初始应力水平选取不当。升降法要求升降图闭合，假设升降法在第

次试验结束，若继续做试验﹐则下一个试样应力水平等于升降法数据统计开始时的应力水平，升降图闭合从而整个试验的应力水平都集中在疲劳强度附近。

(5)试验数据符合规定的有效数据对数且数据闭合时，试验结束。

根据配对升降法的特点，结合柴油机齿轮的要求，本试验选择配对升降法对柴油机内齿轮进行疲劳分析。

齿根的最大弯曲应力可根据有限元模拟进行计算，齿轮静力学参数结果如图4所示，在47kN的压力工况下，齿轮应力集中部分主要在受压齿的齿根部分，齿根最大等效应力达到742.1MPa，尚未达到材料的屈服强度(950MPa)。

3 试验结果分析

当齿轮的疲劳次数达到10

时，若试样仍未发生破坏，即判定该试样通过考核，认为其拥有无限疲劳寿命，实验记录视作“越出”。特别地，疲劳试验中齿轮试样的失效形式不一定是某一部分与整体完全分离式的断裂，在试验中，只要内部裂纹发生萌生与扩展，疲劳试验的试样频率便会发生一定改变。在本次试验中，当裂纹扩展到一定程度，使得疲劳试验的频率产生1 Hz以上的变动时，即判定零件内部已发生断裂，齿轮已经发生失效。

采用升降法测定齿轮的疲劳极限相关数据

。齿轮试件的疲劳试验根据是否进行滚压处理分为两组，每组试验共选用12个齿轮。疲劳试验的数据如表1、表2 所示。图5、图6 为齿轮弯曲疲劳试验升降图。

结果表明，未做滚压强化处理齿轮的中值载荷为最大载荷 F=33 kN，齿轮的疲劳强度为：602 MPa；强化处理齿轮齿轮的中值载荷为最大载荷 F=42 kN，齿轮的疲劳强度为：725 MPa。对比实验结果可以发现，滚压机械表面强化技术能够有效提高齿轮约17%的抗疲劳性能，对延长齿轮使用寿命、增大安全系数有明显作用。

要从根本上解决地名检索中的地理空间的层次结构特性和地名表达的模糊性，就必须结合地名描述、地理空间、计算机、网络等相关知识和技术，从整体上进行把握，构建基于地名本体的语义网实现基于语义的地名检索服务[2]。

4 总结

本项目结合发动机齿轮实际的工况受力，进行系统性的疲劳试验，对比滚压强化工艺前后齿轮疲劳强度变化情况，分析滚压技术对齿轮疲劳寿命的影响关系。通过静力学有限元分析，确定所设计夹具对疲劳试验部件施加载荷的集中发生位置，协助疲劳试验选择合理的加载力范围。未做滚压强化处理齿轮的中值载荷为最大载荷 F=33 kN，齿轮的疲劳强度为：602 MPa；强化处理齿轮齿轮的中值载荷为最大载荷 F=42 kN，齿轮的疲劳强度为：725 MPa。仿真模拟的结果与试验数据吻合较好。结果表明滚压强化技术提升了齿轮约20%的疲劳极限，有效提高了齿轮的抗疲劳能力。

[1]彭超,张芳,梁国祥,陈飞,常超.滚压强化连杆的疲劳强度分析[J].内燃机与配件,2021(19):62-63.

[2]马欣,史强,王国斌,李强,张金玲.基于有限元模拟的焊后热处理曲轴热锻模磨损分析[J].内燃机与配件,2021(04):48-49.

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