CN100396957C - 利用磨合提高变速箱疲劳寿命的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用磨合提高变速箱疲劳寿命的方法，其特点是，方法步骤为1.获得变速箱齿轮的强化特性。2.根据变速箱齿轮的低载强化特性和变速箱齿轮的传递参数，估算变速箱的最佳磨合载荷。3.通过变速箱磨合试验，确定变速箱的最佳磨合载荷和变速箱疲劳寿命提高的最大比例。这样只通过改变变速箱磨合载荷就可以提高变速箱的疲劳寿命，而成本没有任何增加。

Description

利用磨合提高变速箱疲劳寿命的方法

技术领域

本发明涉及一种提高变速箱疲劳寿命的方法。

背景技术

某些金属材料和结构在经受一定次数的低幅载荷反复作用和锻炼后，其强度(包括静强度和疲劳强度)可以得到强化和提高，这种现象我们称为低载强化。不同结构和材料存在不同的最佳强化载荷和最佳强化次数，经过低载强化后，疲劳强度和疲劳寿命提高的比例也各不相同。

具有低载强化特性的变速箱齿轮的材料主要包括20#钢、35#钢、40#钢、45#钢、15Cr、20Cr、40Cr、20CrMo、20CrMnTi、Mn-Cr、15CrMnMo、20CrMo35钢以及铸铁等。变速箱齿轮可以是圆柱直齿轮、斜齿轮以及螺旋伞齿轮等。

现有变速箱齿轮磨合试验的目的主要是让齿轮更好的啮合，因为齿轮加工时由于加工误差和热处理之后的齿部局部变形得不到完全有效的消除，装配后齿轮幅间隙不均匀，齿面接触沿齿长和齿高方向也不均匀，齿轮的啮合特性和传动效率会降低。这些缺陷往往会产生振动和噪音，同时齿部局部应力集中、齿面点蚀严重和过早磨损、齿部断裂等。总之，现有的磨合(包括磨合载荷和磨合时间)规范的制定都不考虑磨合对变速箱齿轮强度和寿命的影响。

如果我们知道了变速箱齿轮的低载强化特性，可以假想，在变速箱磨合时，利用具有强化作用的载荷作为磨合载荷，不改变磨合时间。变速箱磨合结束后，变速箱的疲劳强度和疲劳寿命都会得到提高。即可以在不增加现有成本的情况下，提高变速箱疲劳强度和疲劳寿命。

发明内容

本发明的目的是为了在原有磨合时间和磨合转速不变下即在不增加现有成本的情况下，提高变速箱疲劳强度和疲劳寿命，提供一种利用磨合提高变速箱疲劳寿命的方法，该方法利用齿轮的低载强化特性以及具有强化作用的载荷作为磨合载荷来提高变速箱齿轮的弯曲疲劳强度和疲劳寿命，从而使整个变速箱寿命得到提高。

本发明的技术方案是这样实现的：一种利用磨合提高变速箱疲劳寿命的方法，其特征在于，方法步骤为：

1、获得变速箱单个齿轮的包括具有强化效果的强化载荷区间和最佳强化次数的低载强化特性，

(1)在高频疲劳试验机的试验台上采用静压断的方法，测定齿轮单齿抗弯曲静强度；

(2)根据得到的抗弯曲静强度值，选择不同的应力等级下试验测定齿轮单齿弯曲疲劳寿命，得到单齿弯曲的载荷-寿命曲线，再根据有限元计算结果得到单齿弯曲的应力-寿命曲线，即S-N曲线；

(3)根据得到的S-N曲线，选择低幅试验载荷，在试验台上对齿轮单齿进行弯曲低载强化的定性和定量试验：

(a)低载强化的定性试验，通过不同大小的低幅载荷进行强化试验，得到强化效果的强化载荷的区间范围和强化后寿命提高的趋势；

(b)低载强化的定量试验，在给定的强化载荷下采用不同的强化次数进行强化试验，得到强化效果最好即疲劳寿命最高的最小强化次数；

(4)数值试验：根据低载强化的定性试验和定量试验结果，利用数值试验即通过数值插值、拟合得到：在一定的强化次数下强化载荷与强化后疲劳寿命之间的数学关系，由试验得到最佳强化载荷下，低载强化次数和强化后疲劳寿命之间的数学关系：

2、根据单个齿轮的低载强化特性和变速箱齿轮传递参数，估算齿轮变速箱的最佳磨合载荷：

通过上述变速箱齿轮的低载强化特性试验中得到的S-N曲线和数值试验得到在一定的强化次数下强化载荷与强化后疲劳寿命之间的数学关系，由试验得到最佳强化载荷下，低载强化次数和强化后疲劳寿命之间的数学关系，确定变速箱的在原有磨合时间和磨合转速不变下的最佳磨合载荷；

3、通过变速箱磨合试验，确定变速箱的最佳磨合载荷和变速箱疲劳寿命提高的最大比例，通过改变变速箱磨合载荷就可以提高变速箱的疲劳寿命。

本发明的有益效果是，这样只通过改变变速箱磨合载荷就可以提高变速箱的疲劳寿命，而成本没有任何增加。本发明方法的实际应用，可以使单一型号的变速箱适应传递不同功率等级的需要成为可能；最大的应用在于企业小批量生产的变速箱可以借助于出厂前的磨合而获得更高的疲劳强度和更长的疲劳寿命。此外，设计时可以选用性能较差的材料来达到原来高性能材料所具有的疲劳强度和寿命，同时实现减重和降低成本；大批量生产时，也可以减小原来齿轮的结构尺寸，利用使用中的载荷作用对齿轮不断造成强化，从而保证足够的使用可靠性。同样也实现了减重降成本，为企业带来较大的经济效益。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的描述。

本发明的具体方法实例如下：

1.获得变速箱单个齿轮的包括具有强化效果的强化载荷区间和最佳强化次数的低载强化特性：

试验的加载频率为74Hz，循环比r＝0.11，加载精度为0.001kN，齿轮材料为Mn-Cr钢，模数2.3mm；齿数20；压力角17.5°；变位量1.5。表面采用碳氮共渗工艺强化，齿面硬度58～62。心部硬度为HRC40。

(1)在高频疲劳试验机的试验台上采用静压断的方法，测定齿轮单齿抗弯曲静强度；具体方法是不断增加载荷级数，直至将齿压断，记录下齿断时对应载荷的数值，试验两到三个齿，如果记录的数值相近，则停止试验，否则再作一组。试验结果见表1。

表1静强度值测定结果

根据齿轮的装夹方式，静强度计算值为25.4kN，而试验均值为27.5kN比较相近，说明计算比较准确。再根据齿轮的装夹方式利用有限元可以估算出试验机施加的载荷与齿轮齿根的最大应力的对应关系为：1kN相当于86.35Mpa。

(2)根据得到的抗弯曲静强度值，选择不同的应力等级下试验测定齿轮单齿弯曲疲劳寿命，得到单齿弯曲的载荷-寿命曲线，再根据有限元计算结果得到单齿弯曲的应力-寿命曲线，即S-N曲线：对于结构钢，S-N曲线的中寿命段在对数坐标下为一直线，这样，理论上有两个精确点就可以确定中寿命段的S-N曲线。

试验时选取高低两级载荷进行疲劳寿命试验。按估计平均寿命为1×10⁵、3×10⁵次对载荷进行选取，小载荷的当量幅值取4.684kN；大载荷的当量幅值取4.889kN。每组试验7～11个齿。试验结果见表2。

表2S-N曲线测定试验数据

注：1kN相当于86.35MPa。

由表2中的试验数据拟合成载荷-寿命曲线(P-N曲线)和应力-寿命曲线(S-N曲线)的表达式如下：

P＝7.7912-0.57471gN       (1)

S＝676.9075-50.47671gN    (2)

式中，P-载荷(kN)，N-疲劳寿命(次)，S-应力(MPa)。

为了验证S-N曲线在中寿命区的准确性，用式(1)估算60万次对应的载荷幅值为4.470kN(386.0MPa)，用该载荷对齿轮进行验证试验，验证寿命为675300次。计算值与试验值之间的误差为12.55％，说明得到的S-N曲线有较高的可信度。

根据得到的S-N曲线估算齿轮弯曲疲劳极限为360.1MPa(载荷4.170kN)。

(3)根据得到的S-N曲线，选择低幅试验载荷，在试验台上对齿轮单齿进行弯曲低载强化的定性和定量试验：

a、低载强化定性试验

为了寻找产生强化效果的载荷，进行了低载强化定性试验。先给定小载荷强化30万次后，再在大载荷下试验验证疲劳寿命的变化。

根据齿轮的弯曲疲劳极限载荷，强化小载荷的当量幅值取3.127kN～3.962kN，相当于在0.75～0.95σ_-1附近进行强化，验证高载荷的当量幅值取4.889kN。试验结果见表3。

表3低载强化定性试验结果

从表3中可以看出，当强化载荷幅值处于3.336kN～3.962kN区间内，经过30万次强化后，大载荷(当量载荷幅值为4.889kN)所对应的疲劳寿命均大于未经过低载强化的同样载荷下的平均疲劳寿命，证明了强化区间的存在。

当量载荷幅值为3.545kN的载荷有最好的强化效果。强化载荷幅值为3.127kN时，未对齿轮产生强化，但也未使齿轮产生损伤，说明载荷低于3.127kN的载荷可按小载荷处理，即在进行随机疲劳试验或进行寿命估算时可以删去。但在表2中，当量载荷幅值为3.127kN时对应的疲劳寿命低于S-N曲线上4.889kN对应的平均疲劳寿命，主要原因是试件疲劳寿命存在分散性。

由此，就可以初步认为，有强化效果的载荷区域大致位于3.127kN～3.962kN的范围之内，而小于3.127kN的载荷将属于无效载荷，它们既不产生强化也不造成损伤。

(b)低载强化定量试验

为了研究不同的强化次数对强化效果的影响，同时寻找具有最佳强化效果下的强化次数，进行了低载强化定量试验。

选择当量幅值为3.327kN作为强化载荷，选择不同的强化次数，即2×10⁵、3×10⁵、4×10⁵次，分别对不同试样(每3个为一组)进行低载强化试验。然后在大载荷下验证疲劳寿命的变化，选取的验证载荷与低载强化定性试验相同。试验结果见表4。

表4低载强化定量试验结果

从表4中可以看到，强化次数在20万次～30万次的区间内效果明显，而且，随着强化次数的增加强化效果越来越显著。

在经过40万次强化后，平均寿命只有149000次。表明强化次数超过30万次之后，强化效果呈整体下降趋势。当强化次数为30万次时，相对来说强化效果最好，即最佳强化次数为30万次。强化次数在20万次～38万次的范围内都可以使强化后的疲劳寿命提高55％以上。

(4)数值试验：根据低载强化的定性试验和定量试验结果，利用数值试验即通过数值插值、拟合得到：在一定的强化次数下强化载荷与强化后疲劳寿命之间的数学关系，由试验得到最佳强化载荷下，低载强化次数和强化后疲劳寿命之间的数学关系，本实施例中，通过低载强化的定性试验和数值补充试验，得到经过一定次数的低载强化后，强化载荷和强化后疲劳寿命z之间的数学关系如下：

z＝-20.648x⁴+300.99x³-1645.9x²+4000.7x-3644.2(3)

式中，x-低载强化载荷，单位为1kN，载荷与应力的对应关系为1kN∝86.35MPa，z-强化后的疲劳寿命。

具有强化效果的低幅载荷区间，即x的取值范围为3.12＜x＜3.94，对应的应力范围在269Mpa＜S＜341Mpa之间，最佳强化应力为287MPa，相当于疲劳极限的80％。

强化后的最长寿命234200在S-N曲线上对应的应力幅值为S＝405.868Mpa(相应的当量载荷幅值4.700kN)，即强化前为405.9Mpa的载荷与强化后为422.2Mpa(4.889kN)的载荷具有相同的疲劳寿命。因此，齿轮经低载强化后，其疲劳强度提高的最大比例为：

$P_s=\frac{422.165-405.868}{405.868}\×100\%=3.97\%---\left(4\right)$

通过低载强化的定量试验，同样得到在强化区域内，具有明显强化次数区间为20万次到40万次，强化次数与强化后的疲劳寿命z之间的数学关系如下

z＝0.0101y⁷-0.2896y⁶+3.3148y⁵-19.869y⁴

                                       (5)

+67.728y³-131.94y²+137.17y-57.475

式中，y-低载强化次数，单位为10⁵次，z-强化后的疲劳寿命。

在3.545kN的强化载荷(即306.1MPa)下，经过最佳强化次数(30万次)强化后弯曲疲劳寿命提高的最大比例为

$P_n=\frac{23.2-11.2}{11.2}\×100\%=107\%---\left(6\right)$

最佳强化应力下，最佳强化次数为30万次。经过最佳的强化载荷和强化次数强化后，齿轮轮齿的弯曲疲劳强度提高的最大比例3.97％，疲劳寿命提高的最大比例超过100％。

最佳强化载荷下，强化20万次，疲劳寿命可以提高66％，说明强化次数低于20万次，肯定还有强化效果。由于0次强化总没有强化效果，因此需要通过数字插值可以得到强化次数低于20万次强化的效果。即

z＝0.004537y⁷-0.05185y⁶+0.2134y⁵-0.3942⁴

                                          (7)

+0.3173y³-0.04278y²+0.29524y+1.1212

通过低载强化，齿轮的弯曲疲劳强度、疲劳寿命都能够得到一定的提高。如能控制好强化锻炼载荷和强化次数的合理组合，就可以取得较理想的强化效果。

齿轮的低载强化特性

通过试验研究，初步得到变速箱齿轮的低载强化特性

●具有强化效果的应力区域0.343σ_s～0.434σ_s之间，最佳强化载荷为0.366σ_s；

●强化次数范围：20万～40万次，最佳强化次数为30万次；

●强化次数一定，强化载荷与强化后的疲劳寿命的关系可以表示为7次多项式；

●强化载荷一定，强化次数与强化后疲劳寿命的关系可以表示为4次多项式；

●经过低载强化，轮齿的弯曲疲劳强度提高的最大比例为3.97％，轮齿的弯曲疲劳寿命为107％。

上述研究结果为定量推导强化载荷、强化次数与强化后疲劳寿命三者的关系提供了基本数据；为探索利用磨合工序提高齿轮弯曲疲劳强度，提供了理论依据。

2、根据单个齿轮的低载强化特性和变速箱齿轮传递参数，估算齿轮变速箱的最佳磨合载荷：

本实施例中，根据变速箱齿轮的低载强化特性，齿轮的最佳强化次数为30万次。原有磨合试验转速为1800rpm，磨合时间35分钟。变速箱传递的最大转矩是一档情况下，此时，如果磨合强化次数达到30万次，一档小齿轮需要磨合167分钟、一档大齿轮和主动螺旋伞齿轮需要磨合576分钟，而被动螺旋伞齿轮需要磨合2376分钟，如此长的磨合时间在实际生产过程中是不现实的。

由于变速箱各档齿轮不可能同时达到最佳磨合次数时，同时考虑到生产和经济原因，变速箱齿轮最佳磨合规范是在成本不变(即原有磨合时间和磨合转速不变)下的最佳磨合载荷。即在最佳磨合载荷下，变速箱的疲劳寿命和原有磨合载荷下变速箱的疲劳寿命相比，变速箱疲劳寿命所能提高的最大比例。

根据变速箱齿轮S-N曲线即和变速箱参数，初步估算出变速箱的疲劳极限对应于该变速箱最大转矩的80％。按照式(3)、(5)和式(6)，可以初步估算变速箱具有强化效果的磨合载荷。

新的磨合试验程序如表5。

表5变速箱磨合程序

变速箱磨合结束后，直接用大载荷进行试验，验证变速箱疲劳寿命，试验程序如表6。

表6变速箱试验程序

档位	加载扭矩	输入转速
			I	变速箱最大转矩	不变

3、变速箱最佳磨合规范试验

因为变速箱的疲劳极限是估算结果，另外，变速箱各个齿轮实际磨合强化次数不可能达到最佳，因此，必须通过试验来最终确定该变速箱的最佳磨合规范。

磨合试验以及试验运转试验在变速器试验台上进行。其中序号1为原始磨合载荷。每种磨合载荷试验3台变速箱，求其平均寿命。新变速箱磨合规范下，磨合后在同样的大载荷试验结果如表7。

表7变速箱试验运转寿命

序号	磨合扭矩(变速箱疲劳极限的百分比)	磨合时间	试验载荷	试验转速	平均寿命min
						1	62％	不变	变速箱最大转矩	不变	90
2	80％	不变	变速箱最大转矩	不变	114
						3	85％	不变	变速箱最大转矩	不变	95
4	73％	不变	变速箱最大转矩	不变	125

该变速箱在原有的磨合载荷下寿命为90分钟，疲劳寿命和厂家原有的试验结果吻合。最佳磨合规范依此为出发点来制定更好的磨合载荷。

当磨合载荷为变速箱疲劳极限的62％时，变速箱的平均疲劳寿命明显有所提高，达到114分钟。虽然试验只有三台变速箱，但它说明该载荷具有低载强化效果，而且强化效果比较明显，疲劳寿命提高了27％。

在更高的磨合载荷，即变速箱疲劳极限的85％时，磨合后变速箱的平均寿命为95分钟，和原有的磨合载荷相比，基本没有强化效果。根据低载强化的强化特性可知，载荷过大，即超过变速箱疲劳极限的85％的磨合载荷不再具备强化效果。

用变速箱疲劳极限的73％进行磨合强化，磨合后变速箱平均寿命进一步提高，达到125分钟，提高幅度近40％。

根据低载强化特性可知，小于变速箱疲劳极限的62％的磨合载荷其强化效果不会更好，因此，可以初步的断定变速箱疲劳极限的73％的磨合载荷是变速箱最佳磨合载荷，具有最好的低载强化效果。

4、结论

■变速箱存在一个强化区域。为发动机最大转矩的50％-68％。

■原有的50％的发动机最大转矩不是最佳磨合载荷。

■58％的发动机最大转矩是变速箱的最佳磨合载荷。

■在最佳磨合载荷下，寿命提高近40％(和原始规范相比)。

利用变速箱最佳磨合规范，设计时可以选用性能较差的材料来达到原来高性能材料所具有的疲劳强度和寿命，同时实现减重和降低成本；大批量生产时，可以减小原来齿轮的结构尺寸，利用使用中的载荷作用对齿轮不断造成强化，从而保证足够的使用可靠性。同样也实现了减重降成本，为企业带来较大的经济效益。

Claims (1)

1.一种利用磨合提高变速箱疲劳寿命的方法，方法步骤为：

一、获得变速箱单个齿轮的包括具有强化效果的强化载荷区间和最佳强化次数的低载强化特性，

(1)在高频疲劳试验机的试验台上采用静压断的方法，测定齿轮单齿抗弯曲静强度；

(2)根据得到的抗弯曲静强度值，选择不同的应力等级下试验测定齿轮单齿弯曲疲劳寿命，得到单齿弯曲的载荷一寿命曲线，再根据有限元计算结果得到单齿弯曲的应力-寿命曲线，即S-N曲线；

(3)根据得到的S-N曲线，选择低幅试验载荷，在试验台上对齿轮单齿进行弯曲低载强化的定性和定量试验：

(a)低载强化的定性试验，通过不同大小的低幅载荷进行强化试验，得到强化效果的强化载荷的区间范围和强化后寿命提高的趋势；

(b)低载强化的定量试验，在给定的强化载荷下采用不同的强化次数进行强化试验，得到强化效果最好即疲劳寿命最高的最小强化次数；

(4)数值试验：根据低载强化的定性试验和定量试验结果，利用数值试验即通过数值插值、拟合得到：在一定的强化次数下强化载荷与强化后疲劳寿命之间的数学关系，由试验得到最佳强化载荷下，低载强化次数和强化后疲劳寿命之间的数学关系；

其特征在于，还包括以下二、三两步骤：

二、根据单个齿轮的低载强化特性和变速箱齿轮传递参数，估算齿轮变速箱的最佳磨合载荷：

通过上述变速箱齿轮的低载强化特性试验中得到的S-N曲线和数值试验得到在一定的强化次数下强化载荷与强化后疲劳寿命之间的数学关系，由试验得到最佳强化载荷下，低载强化次数和强化后疲劳寿命之间的数学关系，确定变速箱的在原有磨合时间和磨合转速不变下的最佳磨合载荷；

三、通过变速箱磨合试验，确定变速箱的最佳磨合载荷和变速箱疲劳寿命提高的最大比例，通过改变变速箱磨合载荷就可以提高变速箱的疲劳寿命。