高频工况下齿轮弯曲疲劳试验技术研究

苗天祺,孙 鹏,李 宁,刘 洋,王明远,焦传双

(中机试验装备股份有限公司,吉林 长春 130103)

1 引 言

齿轮传动是依靠轮齿的啮合传递运动和动力,有适应性广、传动比恒定、效率高、工作可靠、寿命长等诸多优点。因此,齿轮是工业领域应用比较广泛的机械传动零件。正是因为齿轮的广泛应用,对于其传动失效的研究具有十分重要的意义。

齿轮传动失效中,轮齿的弯曲疲劳是发生概率较高的失效形式,其造成的后果十分严重。齿轮弯曲疲劳为高周应力疲劳测试,试验周期长、成本高,目前对于齿轮弯曲疲劳的研究多是基于不同仿真软件评价齿轮性能。本文结合高频加载下的齿轮弯曲疲劳测试,大幅提高试验效率,缩短试验周期,同时搭配定制齿轮弯曲疲劳夹具,对齿轮在高频响下的弯曲疲劳特性进行了深入的研究。

2 齿轮弯曲疲劳试验技术

2.1 试验加载形式

齿轮弯曲疲劳的试验形式包含啮合运转及脉动加载,实现齿根应力状态和数值模拟,用以测定轮齿发生弯曲疲劳时的应力水平。加载示意图[1]如图1所示。

2.2 试验夹具

结合齿轮弯曲疲劳加载形式,设计齿轮高频疲劳夹具,如图2所示。齿轮由调节板送入试验位置,分别与上压头、支撑座接触,并通过支撑轴进行辅助支撑定位,通过上压头的加载即可实现压向弯曲疲劳试验。夹具中的支撑轴起到辅助支撑、定位的作用,分散齿轮与下端支撑座的作用力,保证上压头接触的轮齿受力最大,形成最终破坏位置。调节板上的长圆孔结构可以实现齿轮水平方向位置的调节,调节螺母与支撑座的螺纹配合可以实现齿轮垂直方向位置的调节,达到上压头作用线与齿轮基圆相切的目的,如图3所示。

图2 齿轮弯曲疲劳夹具

图3 加载位置示意图

2.3 试验设备

齿轮弯曲疲劳试验有多种数据组合方法,通过统计处理可以得到不同可靠度下的疲劳曲线。该法可比较准确地测定试验齿轮有限寿命区间内“可靠度-应力-循环次数”曲线(“R-S-N”曲线),可预估齿轮弯曲疲劳极限。因此,齿轮弯曲的整个试验周期较长,一般单个试验周次可达上百万次。为缩短试验时长、提高工作效率,采用试验频率较高的电磁谐振高频疲劳试验机进行测试。

电磁谐振高频疲劳试验机应满足如下指标:(1)同时具备静载荷、动载荷试验控制方式,加载过程无冲击振动现象;(2)具有载荷、加载频率和循环次数的显示和记录功能;(3)示值相对误差应不大于0.5%,动载荷示值相对误差不大于2%;(4)加载频率范围60Hz～300Hz[2]。

2.4 试验研究

采用中机试验装备股份有限公司生产的20t电磁谐振高频疲劳试验机进行齿轮的弯曲疲劳试验,如图4所示。

图4 齿轮高频弯曲疲劳试验

试样选用直齿圆柱齿轮,齿轮参数如表1所示,试验加载参数见表2。

表1 齿轮试样参数

表2 试验加载参数

试验加载曲线如图5所示,加载频率与试样、主机耦合的刚度有关,并非由主机主动控制选择的频率值。

图5 试验加载曲线

试验加载150425次,设备自动进入保护。检查试样,轮齿根部出现裂纹(如图6所示),导致加载力超限,触发主机停机保护。出现裂纹为上压头对应的轮齿,证明支撑轴的辅助作用起到效果,与最初的设计意图吻合。

图6 失效齿轮

继续施加静载,将出现裂纹的轮齿压断,拆除试样进行断口检查。从试样断口形态可以清晰看出轮齿的疲劳裂口持续扩展的状态,整个断口疲劳裂纹在齿宽方向趋势均匀(如图7所示)。断口分析结果证明夹具本身的加载位置准确,也证明了主机整体同轴状态良好。

图7 断裂齿轮

3 结 论

针对直齿圆柱齿轮的加载特性及要求,设计了相应的弯曲疲劳夹具,利用电磁谐振高频疲劳试验机对模数m为7、齿数z为32的齿轮试样进行了弯曲疲劳试验,验证了高频响下齿轮弯曲疲劳试验的可行性以及所设计的齿轮弯曲疲劳夹具的可靠性,为齿轮弯曲疲劳试验研究提供了有效依据。