CN108388695A - 根据齿根残余应力分布定量估算齿轮局部疲劳强度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种根据齿根残余应力分布定量估算齿轮局部疲劳强度的方法，包括：对不少于三种喷丸工艺状态下的齿轮残余应力分布以及弯曲疲劳强度进行测试；根据测试结果并结合Goodman关系获取残余应力值与弯曲疲劳强度限之间的定量关系系数；根据所述定量关系系数,设计合理的齿轮局部疲劳强度，并反推出需要的残余应力分布和实现此分布的合理喷丸工艺，或预测现有齿轮产品弯曲疲劳失效形式以制定合理的预防措施和改进喷丸强化工艺。本发明建立了齿轮齿根残余应力分布和其局部弯曲疲劳强度间的定量关联，创新性的提出了局部疲劳强度的概念，从而使残余应力作为力学参量能够定量进入到齿轮产品的设计阶段，并据此反推其合理的喷丸强化工艺。同时可对现有齿轮的弯曲疲劳失效形式进行分析预判，为其失效预防和喷丸工艺改进提供方向。

Description

根据齿根残余应力分布定量估算齿轮局部疲劳强度的方法

技术领域

本发明属于齿轮设计和制造技术领域，具体而言，本发明涉及一种根据齿根残余应力分布定量估算齿轮局部疲劳强度的方法。

背景技术

弯曲疲劳损伤是齿轮的主要失效形式之一，危害极大。为了提高齿轮的弯曲疲劳极限和使用寿命，对渗碳淬火齿轮进行表面喷丸强化是十分有效的技术途径。喷丸强化之所以能够提高齿轮的弯曲疲劳强度，究其根本，主要是形成的残余压应力起关键作用。目前国内齿轮企业对于残余应力的认识和应用还处于初级水平，大部分产品并未进行喷丸强化处理，少部分高端或者出口产品虽然进行喷丸强化，但也仅仅是为了提高安全系数或者满足国外客户图纸要求，国内齿轮厂商普遍不清楚应该如何设计合理的喷丸强化工艺来有效提高产品的弯曲疲劳强度。

发明内容

本发明的首要目的旨在解决上述技术缺陷，特别是无法定量设计合理的喷丸强化工艺来有效提高产品的弯曲疲劳强度的技术缺陷，而提供一种根据齿根残余应力分布定量估算齿轮局部疲劳强度的方法。

基于上述目的，本发明采取如下技术方案：

对不少于三种喷丸工艺状态下的齿轮残余应力分布以及弯曲疲劳强度进行测试；

根据测试结果并结合Goodman关系获取残余应力值与弯曲疲劳强度限之间的定量关系系数；

根据所述定量关系系数,在开发新齿轮产品时结合齿轮服役外载情况和疲劳强度要求，设计合理的齿轮局部疲劳强度，并反推出需要的残余应力分布和实现此分布的合理喷丸工艺，同时可以预测现有齿轮产品弯曲疲劳失效形式以制定合理的预防措施和改进喷丸强化工艺。

其中一个实施例中，所述齿轮的残余应力分布测试方法为X射线法。

其中一个实施例中，所述齿轮的弯曲疲劳强度的测试方法采用单齿加载、双齿加载或齿轮台架运转等实验以获取S-N曲线或者R-S-N曲线。

其中一个实施例中，所述根据测试结果并结合Goodman关系获取残余应力值与疲劳强度限之间的定量关系系数包括：

获取至少三组以上的齿根处最大残余压应力值和齿轮疲劳强度限值；

通过Goodman关系σ^-1 _m＝σ^-1-mσ_m，拟合计算该齿轮产品的m值。

其中一个实施例中，所述开发齿轮新品时设计合理的齿轮局部疲劳强度分布并反推出合理的喷丸强化工艺包括：根据已知的齿轮未来服役时外载情况和弯曲疲劳强度要求，设计局部疲劳强度分布，结合m值反推绘制残余应力分布曲线，进而制定出合理的喷丸强化生产工艺。

其中一个实施例中，所述预测现有齿轮产品弯曲疲劳失效形式并指导合理的预防措施和工艺改进包括测出齿轮齿根最大弯曲应力处的残余应力分布，结合齿轮弯曲疲劳强度和m值推导齿轮的局部弯曲疲劳强度分布曲线，根据外载情况，判断齿轮可能的弯曲疲劳失效形式是表面源还是表下源，据此提出预防手段：稳定使用环境降低外载，或在外载不能降低的情况下重新设计合理的局部疲劳强度，并反推出合理残余应力分布和优化后的喷丸强化工艺。

其中一个实施例中，所述判断齿轮可能的弯曲疲劳失效形式是表面源还是表下源包括：

比较齿轮的局部弯曲疲劳强度分布曲线和外载曲线之间的关系；

若外载曲线高于局部弯曲疲劳强度分布曲线，则齿轮可能的弯曲疲劳失效形式是表面源；

若外载曲线不高于局部弯曲疲劳强度分布曲线，则齿轮可能的弯曲疲劳失效形式是表下源。

本发明提供的根据齿根残余应力分布定量估算齿轮局部疲劳强度的方法建立了齿轮齿根残余应力分布和其局部弯曲疲劳强度间的定量关联，创新性的提出了局部疲劳强度的概念，从而使残余应力作为力学参量能够定量进入到齿轮产品的设计阶段。获取不同齿轮产品的m值，根据待开发新齿轮产品的实际受载情况和弯曲疲劳强度要求设计出合理的局部疲劳强度分布，并利用m值倒推出需要的残余应力分布和合理的喷丸强化工艺。同时，也可对现有齿轮产品的弯曲疲劳失效形式进行分析预判，为其失效预防和喷丸工艺改进提供方向。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例提供的根据齿根残余应力分布定量估算齿轮局部疲劳强度的方法流程图；

图2为本发明实施例提供的goodman关系的示意图；

图3为本发明实施例提供的齿轮局部疲劳强度和残余应力以及外载之间的关系示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

如图1所示，本发明提供一种根据齿根残余应力分布定量估算齿轮局部疲劳强度的方法，该方法包括以下步骤：

S101：对不少于三种喷丸工艺状态下的齿轮残余应力分布以及弯曲疲劳强度进行测试。

齿轮的残余应力分布测试方法采用X射线法。X射线法是利用X射线穿透晶粒时产生的衍射现象，即布拉格方程，在弹塑性应变作用下，引起晶格间距变化，使衍射条纹产生位移，根据位移的变化拟合计算残余应力。对于齿轮常用材料而言，残余应力测试穿透深度在十几微米内，为了测试不同深度处的残余应力，需要使用电解抛光设备进行剥层处理。通过上述方法可得到齿轮齿根处的残余应力梯度分布曲线，并进而得到其最大残余压应力值。

齿轮的弯曲疲劳强度的测试方法采用疲劳试验机单齿加载或者双齿加载或者齿轮台架运转实验以获取S-N曲线或者R-S-N曲线。将欲测试的齿轮安装在齿轮试验机上进行负荷运转实验，直至齿轮出现弯曲疲劳失效或齿根应力循环次数达到规定的循环基数N。而未失效时，获得齿轮在试验应力下的一个寿命数据。当试验齿轮及试验过程均无异常时，将这些寿命数据称为“试验点”。将试验点组合构成齿轮弯曲疲劳特性曲线以获得疲劳极限值。或者通过专用夹具安装在疲劳试验机上进行单齿或者双齿脉动加载，直至轮齿出现弯曲疲劳失效或越出，试验终止并获得轮齿在试验应力下的一个寿命数据。试验中，脉动载荷仅施加在试验轮齿上试验齿轮不作啮合运转。所选取的试验轮齿与加过载荷的轮齿包括支承齿至少应间隔一个轮齿。每个试验齿轮可得若干试验点。根据不同的试验目的按不同的试验点组合测定试验齿轮弯曲疲劳特性曲线及弯曲疲劳极限应力。

不同的喷丸工艺状态下，齿轮的残余应力和弯曲疲劳强度是不同的，但是两者之间的相互关系是对应的。获取至少三组数据中的最大残余应力值以及疲劳极限值作为最终的目标值，根据多组目标值作图。

S102：根据测试结果并结合Goodman关系获取残余应力值与弯曲疲劳强度限之间的定量关系系数。

参考图2，通过上述步骤获取最大残余应力值和疲劳强度极限值得到至少三组目标值后画出横纵坐标，由至少三个点确定一条最接近的直线图，点数越多直线越精确，通过Goodman关系σ^-1 _m＝σ^-1-mσ_m得到该齿轮产品的m值。其中σ_m代表平均应力值，残余应力可以当成平均应力处理，σ^-1 _m代表弯曲疲劳抗力值，直线的斜率即为m值。

S103：根据所述定量关系系数,在开发新齿轮产品时结合齿轮服役外载情况和疲劳强度要求，设计合理的齿轮局部疲劳强度，并反推出需要的残余应力分布和实现此分布的合理喷丸工艺，同时可以预测现有齿轮产品弯曲疲劳失效形式以制定合理的预防措施和改进喷丸强化工艺。

在开发一个齿轮新产品时，根据已知的外载情况和弯曲疲劳强度要求，设计局部疲劳强度分布，结合通过上述步骤得到的m值反推绘制残余应力分布情况，进而制定出合理的喷丸强化生产工艺。对于同一家公司而言，各工艺相对稳定，不同参数的渗碳齿轮产品，其m值虽然并不完全相同，但十分接近，分布在一个很小的区间里的，因此在多系列产品的数据积累下，可选择m值范围的下限值进行新产品开发设计。

参考图3，根据所述定量关系系数m还可以预测现有齿轮产品弯曲疲劳失效形式。首先测出齿轮齿根最大弯曲应力处的残余应力分布，结合m值计算齿轮的局部弯曲疲劳强度分布曲线，由于残余应力在齿根处沿深度方向成梯度分布，因此齿轮弯曲疲劳强度也应该是沿深度方向成梯度分布。根据外载情况，判断齿轮可能的弯曲疲劳失效形式是表面源还是表下源。判断过程为比较齿轮的局部弯曲疲劳强度分布曲线和外载曲线之间的关系。若外载曲线高于局部弯曲疲劳强度分布曲线，则齿轮可能的弯曲疲劳失效形式是表面源。如图中外载①，表面处外载远高于局部疲劳强度，且在表下也都是外载值较高，此种情况下齿轮将在表面萌生疲劳源并发生弯曲疲劳失效。若外载曲线不高于局部弯曲疲劳强度分布曲线，则齿轮可能的弯曲疲劳失效形式是表下源。如图中外载②虽然在表层也高于其局部疲劳强度，表层发生起裂，但是裂纹在向内扩展过程中会遇到更高的疲劳抗力而停止扩展，因此真正起裂扩展是在表下外载远大于局部疲劳强度处，即表下源。通过这样的分析就可以为齿轮的失效预防和喷丸工艺改进提供方向。

本发明提供的根据齿根残余应力分布定量估算齿轮局部疲劳强度的方法建立了齿轮齿根残余应力分布和其局部弯曲疲劳强度间的定量关联，创新性的提出了局部疲劳强度的概念，从而使残余应力作为力学参量能够定量进入到齿轮产品的设计阶段。获取不同齿轮产品的m值，根据待开发新齿轮的服役受载情况和弯曲疲劳强度要求设计出合理的局部疲劳强度分布，并利用m值倒推出需要的残余应力分布和合理的喷丸强化工艺。同时，也可对现有齿轮产品的弯曲疲劳失效形式进行分析预判，为其失效预防和喷丸工艺改进提供方向。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种根据齿根残余应力分布定量估算齿轮局部疲劳强度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

对不少于三种喷丸工艺状态下的齿轮残余应力分布以及弯曲疲劳强度进行测试；

根据测试结果并结合Goodman关系获取残余应力值与弯曲疲劳强度限之间的定量关系系数；

根据所述定量关系系数,在开发新齿轮产品时结合齿轮服役外载情况和疲劳强度要求，设计合理的齿轮局部疲劳强度，并反推出需要的残余应力分布和实现此分布的合理喷丸工艺，同时可以预测现有齿轮产品弯曲疲劳失效形式以制定合理的预防措施和改进喷丸强化工艺。

2.根据权利要求1所述的根据齿根残余应力分布定量估算齿轮局部疲劳强度的方法，其特征在于，所述齿轮的残余应力分布测试方法为X射线法。

3.根据权利要求1所述的根据齿根残余应力分布定量估算齿轮局部疲劳强度的方法，其特征在于，所述齿轮的弯曲疲劳强度的测试方法采用单齿加载、双齿加载或齿轮台架运转等实验以获取S-N曲线或者R-S-N曲线。

4.根据权利要求1所述的根据齿根残余应力分布定量估算齿轮局部疲劳强度的方法，其特征在于，所述根据测试结果并结合Goodman关系获取残余应力值与疲劳强度限之间的定量关系系数包括：

获取至少三组以上的齿根处最大残余压应力值和齿轮疲劳强度限值；

通过Goodman关系σ^-1 _m＝σ^-1-mσ_m，拟合计算该齿轮产品的m值。

5.根据权利要求1或4所述的根据齿根残余应力分布定量估算齿轮局部疲劳强度的方法，其特征在于，所述开发齿轮新品时设计合理的齿轮局部疲劳强度分布并反推出合理的喷丸强化工艺包括：根据已知的齿轮未来服役时外载情况和弯曲疲劳强度要求，设计局部疲劳强度分布，结合m值反推绘制残余应力分布曲线，进而制定出合理的喷丸强化生产工艺。

6.根据权利要求1或4所述的根据齿根残余应力分布定量估算齿轮局部疲劳强度的方法，其特征在于，所述预测现有齿轮产品弯曲疲劳失效形式并指导合理的预防措施和工艺改进包括测出齿轮齿根最大弯曲应力处的残余应力分布，结合齿轮弯曲疲劳强度和m值推导齿轮的局部弯曲疲劳强度分布曲线，根据外载情况，判断齿轮可能的弯曲疲劳失效形式是表面源还是表下源，据此提出预防手段：稳定使用环境降低外载，或在外载不能降低的情况下重新设计合理的局部疲劳强度，并反推出合理残余应力分布和优化后的喷丸强化工艺。

7.根据权利要求6所述的根据齿根残余应力分布定量估算齿轮局部疲劳强度的方法，其特征在于，所述判断齿轮可能的弯曲疲劳失效形式是表面源还是表下源包括：

比较齿轮的局部弯曲疲劳强度分布曲线和外载曲线之间的关系；

若外载曲线高于局部弯曲疲劳强度分布曲线，则齿轮可能的弯曲疲劳失效形式是表面源；

若外载曲线不高于局部弯曲疲劳强度分布曲线，则齿轮可能的弯曲疲劳失效形式是表下源。