凯发国际娱乐官网入口 表面狀態對轎車用新型齒輪鋼疲勞壽命的影響

【摘要】較詳細地研究了表面應力狀態和表面光潔度等對汽車用齒輪的疲勞壽命的影響規律。實驗發現 , 隨著噴丸形成的表面應力增大 , 齒輪疲勞壽命顯著增加, 而且表面光潔度的改善也能明顯提高齒輪的疲勞壽命 。本文由 吊鉤式拋丸機 廠家整理
【關鍵詞】表面狀態 汽車齒輪 疲勞壽命 X -射線應力儀
1 前言
汽車工業是國民經濟支柱產業 , 其發展在整個國民經濟中占有舉足輕重的地位 。隨著汽車, 尤其是轎車的更新換代, 需要配以大功率的發動機 , 相應地變速箱齒輪輸出軸扭矩大幅度增加 ;另一方面為滿足舒適 、 節能和環保等日益重視的要求, 需要開發高性能的齒輪鋼, 用以制造齒輪箱中關鍵的輸出輸入軸齒輪, 國際上在該領域投入了大量的人力和物力[ 1～ 3] , 國內則相對研究開發較少[ 4] 。
由于 影響齒輪疲勞壽命的因數很多,如材料成分及其冶金質量 、 熱處理工藝 、 機械切削加工 、 表面狀態 (噴丸及研磨)等 ,加上現有測試實際齒輪疲勞壽命設備還不夠標準化, 因此給這方面的研究帶來很大的困難。本文著重研究表面狀態 (表面應力 、 表面光潔度)對新一代轎車用齒輪的疲勞壽命的影響規律, 以期得到一些有價值的結果。
2 實驗過程
2.1 試驗樣品及其制備
實驗材料為 2VQS 發動機變速箱輸出軸用的 20CrNi2MoH 新型齒輪鋼 (55mm), 其化學成分如表 1 所示 。
表 1 2VQS用新型齒輪鋼的化學成分

選擇一批鍛后熱處理過的齒輪鋼棒料,先經機械切削加工成 013 201 螺傘齒輪 。
2.2 實驗工藝參數制定
對加工好的螺傘齒輪進行正常工藝滲碳淬火處理 , 然后根據文獻[ 5] 得出的噴丸試驗結論 , 選定噴丸工藝參數 , 并進行噴丸強化、 研磨處理 。具體噴丸和研磨工藝及相應的樣品編號列于表 2 。

表 2 齒輪噴丸和研磨工藝試驗

注:(1) ＊為未研磨試樣;(2)圓括號中的轉速為實噴時的轉速。
2.3 表面應力及表面光潔度測定
應力測量儀器為 Seifert X -射線應力儀,CrKα1輻射 , 電壓 30kV , 電流 50mA , 選擇 Fe(211)衍射峰。用 RANK TAYLOR HOBSON表面粗糙度儀測量不同研磨狀態的齒輪表面粗糙度 (光潔度)。
2.4 臺架試驗
從表 2 噴丸強化和研磨配對齒輪中 , 每種任選二對, 在汽齒總廠臺架試驗設備上進行單對臺架疲勞壽命試驗 。試驗條件為 :扭矩 535.5N·m, 轉速 345r/min , 潤滑油溫度～ 65 ℃, 齒輪安裝側隙 0.16 ～ 0.20mm 。
3 實驗結果及討論
從 A 、 B、 C 三種噴丸齒輪及兩種臺架試驗失效后的齒輪各選一只進行殘余壓應力的測定, 測量結果列于表 3 ;不同研磨狀態齒輪表面粗糙度測定結果列于表 4 ;各種不同表面狀態齒輪的臺架疲勞試驗結果列于表 5 。
表 3 噴丸齒輪及臺架失效齒輪殘余壓應力測定結果 (MPa)

從表 3 測試結果可見:
(1)由噴丸所產生的齒輪表層殘余應力為壓應力狀態, 且殘余應力呈峰值分布 , 即最大的峰值應力在齒輪的次表層約 25μm處, 其絕對值可達 1000MPa 左右 。
(2)隨著噴丸強度的提高, 齒輪表層殘余壓應力增大 ;當噴丸強度大于一定值后,則由噴丸所產生的齒輪表層殘余壓應力及其分布符合國內外汽車齒輪技術標準 , 可見噴丸工藝與受噴工件表層殘余應力及其分布有極密切的關系, 有關結果將另文發表[ 5] 。

表 4 三種不同研磨狀態齒輪表面粗糙度

注:Ra :輪廓算術平均偏差, 即面積平均值;Rz:(5個最大峰高+5個最大谷深)/ 10;Rt:輪廓最大高度。

表 5 噴丸和研磨對齒輪臺架疲勞壽命的影響

從表 4齒 輪表面 粗糙度 測試結 果可知:
(1)齒輪工作面輪廓算術平均偏差 Ra 、Rz (5 個最大峰高 +5 個最大谷深/10)及輪廓最大高度 Rt 等參數的測量值均小于齒輪非工作表面相關參數的值 , 這點對于提高齒輪的疲勞壽命是有益的。
(2)隨著研磨循環次數的增大 (即表中從兩次循環 2B1 ※六次循環 6B1), 齒輪工作表面及非工作表面等處的粗糙度 (Ra 、 Rz 、Rt)都得到明顯的改善 , 尤其是輪廓最大高度 Rt 的改善最為明顯, 但進一步增加研磨循環次數 , 齒輪表面粗糙度改善程度降低。
從表 5 噴丸和研磨齒輪臺架疲勞壽命結果可得:
(1)除表中小應力個別點外, 齒輪臺架疲勞實驗壽命均大大高于轎車齒輪疲勞壽命的技術標準, 說明本文所研究出的表面狀態改善工藝對提高轎車齒輪疲勞壽命是非常有效的 。
(2)與小應力齒輪臺架壽命相比 , 殘余壓應力越大, 相應地齒輪臺架疲勞壽命提高越顯著, 一般可達 5 倍以上 (見表中 4A 、4B 、 4C 等三種試樣的臺架試驗結果)。這是由于齒輪嚙合時, 其最大剪切應力位于齒輪的次表層[ 6] , 而強化噴丸時, 最大壓應力峰值也在次表層[ 5] , 因此, 當次表層壓應力峰值增大時 , 致使齒輪次表層疲勞裂紋的產生和擴展均受到更大的阻礙 , 因而齒輪的疲勞壽命可顯著提高 。
(3)在同樣的噴丸強化條件下, 隨著研磨循環次數的增大 (2 ～ 6 次范圍內), 齒輪臺架疲勞壽命也呈明顯上升趨勢, 一般可達3 倍以上 (見表中 2B 、 4B 、 6B 等三種試樣的試驗結果)。這是由于齒輪研磨時, 一方面使齒輪表層殘余壓應力大小及其分布發生變化 ;另一方面 , 隨著研磨次數的增大 , 齒輪表面及齒根等處的粗糙度明顯改善 (見表4 中 2B1 、 4B1 、 6B1 等三種試樣的測試結果), 因而可明顯提高齒輪的臺架疲勞壽命。
比較表 3 中齒輪臺架疲勞失效前后的表面殘余壓應力變化情況 (見表中 A1 和 4A1 ;C1 和 4C5 的測量結果)可發現:經過臺架疲勞試驗后, 齒輪表層殘余壓應力大小會得到不同程度的松弛, 尤其是在齒輪的次表層和深層處的殘余壓應力松弛得更加明顯 , 這可能與齒輪在嚙合時 , 其最大剪切應力 , 也即疲勞源的產生和擴展處一般位于齒輪的次表層 , 因而該處殘余應力釋放得最多有關。
6 結論
(1)噴丸所產生的表面應力狀態對齒輪臺架疲勞壽命有顯著的影響, 在一定范圍內, 隨著噴丸強化程度的增大 , 齒輪表面殘余壓應力增大 , 則可顯著提高齒輪臺架疲勞壽命 , 提高幅度大約有 5 倍以上。
(2)研磨循環次數增多, 一方面對齒輪表層殘余壓應力狀態有較大的影響 , 另一方面又可以明顯改善齒輪表面的粗糙度 。在 2～ 6 次循環次數范圍內, 隨著研磨次數的增加, 齒輪臺架疲勞壽命大幅度提高 , 提高幅度大約有 3 倍以上。
(3)經臺架疲勞試驗后, 齒輪表層殘余壓應力得到明顯的松弛。尤其是齒輪次表層殘余壓應力松弛最明顯 , 表明齒輪嚙合時 ,其次表層塑性變形最大 , 因而應力松弛最大。
參 考 文 獻
[ 1] Wrigley A.Metals shifts into high gear .American MetalMarket.1998, 106 (34):P4
[ 2] Kanisawa H , et al.Development of high -strength carburized steel for automobile gears.Nippon Steel Technical Report .1995, 64:P50-54
[ 3] Sakamoto K, et al.Development of gear materials of high fatigue strength HS822 steels for carburized gears with higherpitting fatigue performance .Mitsubishi Steel M anufacturingTechnical Review .1996, 30:1-10
[ 4] 許珞萍等.轎車用新型齒輪鋼的開發和應用研究.上海市科委重中之重項目.1997, 6 鑒定。本文由 吊鉤式拋丸機 廠家整理
[ 5] 許珞萍等.噴丸工藝對轎車用新型齒輪表面應力狀態影響的研究.機械工程材料.2000, (1)待發表
[ 6] 朱孝錄、 鄂中凱主編.齒輪承載力分析.北京, 高教出版社, 1992, 8:139～ 250