D0I:10.13374/i.is8nl001053x.1981.04.011 珠光体和珠光体一铁素体球铁齿轮抗弯曲疲劳能力的研究 北京钢铁学院王勉* ·北京机电研究院黄其华 摘 要 本文是珠光体和珠光体一铁素体球墨铸铁齿轮弯曲疲劳授限应力口p:m测定的 试验总结。作者根据13对齿轮的寿命试验结果，用最小二乘法求得疲劳曲线方程为 gp3.23728N=2.941478×1011 同时求得99%可靠度的疲劳曲线方程为， 0p3.23728N=8.6050375×1010 据此，确定当循环基数N。=5×108次时，其相应的弯曲疲劳极限应力为： 01im±29.4公斤/老米2 当可寡度为99%时 口11m=20.4公斤/毫米2 上述数值可供设计齿轮时参考。 本文是在对铁素体球墨铸铁齿轮抗点蚀能力的研究【】、珠光体和珠光体一铁素体球墨铸 铁齿轮抗点蚀能力的研究【2！之后，就珠光体和珠光体一铁素体球墨铸铁齿轮抗弯曲能力试验 研究的总结。 一、试验条件 本阶段通过13对齿轮的弯曲疲芳强度试验，得出了珠光体和珠光体-铁素体球铁齿轮弯 曲疲劳曲线，测定了弯曲疲劳强度值¤：m。另外用两对材质相同的齿轮以阶梯加载的方法， 对弯曲疲劳极限σ1：m进行核验。试验是在北京钢铁学院机械设计教研室、机械零件试险室完 成的。 1.试验装量 投入运转的是机械封闭弹性杠杆加载式综合试验台，其结构和性能参数与报告【)基本相 同。，只是为了减小噪音，陪试齿轮由原单点啮合的圆弧齿轮改为标准渐开线斜齿圆柱齿轮。 此外，为使试验齿轮的负荷数值可靠，试验前后曾对试验台的静、动负荷特性进行了全 面测定，有关资料巳有专文3]论述。 2.试验齿轮的材质 为使试验齿轮的材质尽可能与我国目前生产条件下所获得的相应球铁材质相同，本批齿 ”参加本谋题试验工作的还有本院朱孝录、沈水福、易秉钱、康以智、时学素、郭刚 智、崔兴山、史铁军、范民政、关掉，北京机电研究院梁骥、范婉平、陶小安、赵建华，郑 州机械研究所房贵如等同志。 118
珠光体和珠光体一铁素体球铁齿轮抗弯曲疲劳能力的研究 北 京 钢 铁 学 院 王 勉 铃 北 京机 电研 究 院 ‘ 黄 华 摘 要 本文是 珠光体 和珠光体一 铁素体球 墨 铸铁 齿 轮弯 曲疲劳 极 限应力 ， ‘ 。 测定 的 试 验 总结 。 作者根 据 对 齿 轮 的寿命试 验 结果 ， 用 最 小二 乘法 求得 疲劳 曲线方程为 · 名 ， ， 忿 ‘ 同时 求得 可 亦 度 的疲劳 曲线方程为 ， · 二 据此 ， 确定 当循 环墓 数 。 次时 ， 其相应 的弯 曲疲劳极 限应 力为 ，‘ 。 ‘ 公 斤 毫米 当可 亦度为 时 ，‘ 。 公 斤 毫米 上 述 数值 可供 设计齿 轮 时参考 。 本文是在对 铁素体球墨铸铁齿轮抗点蚀能力的研究 ‘ 】 、 珠光体和 珠光体一 铁素体球墨铸 铁齿轮抗点蚀 能力的 研究 〔 之后 ， 就珠光体和 珠光体一 铁素体球墨铸 铁齿轮抗弯曲能力试验 研究 的总结 。 一 、 试验条 件 本阶段通过 对齿轮的弯曲疲 劳强度试验 ， 得出 了珠光体和 珠光体一 铁素体球 铁齿轮弯 曲疲劳曲线 孙测定 了弯 曲疲劳强度值 ， ‘ 二 。 另外用 两对 材质相同的 齿轮以阶梯加载的方 法 ， 对弯 曲疲劳极 限 口 ， ‘ 。 进行 核验 。 试验是在北京钢 铁学院机械设计教研室 、 机械零件试验室完 成的 。 试挂袭 投入运转的是机械封 闭弹 性杠杆加 载式综合 试验台 ， 其结 构和 性能 参数与报告 ’ 基本 相 同 。 只 是为了减小噪音 ， 陪试齿轮 由原单点啮 合 的 圆弧齿轮改为标准渐开线斜齿圆柱齿轮 。 此外 ， 为使试验齿轮的 负荷数值可靠 ， 试验前后 曾对试验 台的 静 、 动 负荷特性进行 了全 面测定 ， 有关资料已 有专文 〕 论述 。 试脸街轮的材质 为使试验齿轮的 材质尽可能与我 国 目前生产条件下所 获得的 相应 球铁材质相同 ， 本批齿 参加 本裸题试 验工 作 的还 有本 院朱孝录 、 沈水 福 、 易录钱 、 康 以智 、 时学素 、 郭刚 智 、 崔兴 山 、 史铁 军 、 范 民政 、 关悼 ， 北 京机 电研 究 院梁骥 、 范婉平 、 陶小安 、 赵建 华 ， 郑 州机械研 究所房 贵如 等同 志 。 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1981．04．011
轮毛坯均在北京第三通用机械厂铸工车间铸造，冲天炉熔化。球铁的化学成分和石墨化情况 见表1及图1。它的材质是正火态珠光体和珠光体-铁素体，热处理及金相组织列于表2， 显微组织见图2至图3。平均硬度日B=243.66,该批球铁σ。=70公斤/毫米2，弹性模数 E=1.7×10°公斤/毫米。 表1 试验齿轮材质的化学成分和球化情况 化 学 成 分 石墨球化情况 C Si Mn S Mg Re 球化级别 石墨大小 3.7 2.70 0.34 0.074 0.017 0.038 0.015 1一2级 2级 图1石墨球化情况（未浸蚀100×） 2级球化2级大小 表2 热处理及金相组织 批号 正火工艺 金相组织 正火温度910℃ 粗片状珠光体80~90% 09-1 夏季快冷 铁素体呈牛眼状和半牛眼状 正火温度910℃ 粗片状珠光体60~70% 09-2 夏季慢冷 铁素体呈牛眼状 119
(c) 图209-1批齿轮金相组织 (a)HB250Ⅱ85~90%3%硝酸酒精浸蚀100× (b)HB241 Ⅱ80~85%3%硝酸酒精浸使 100× (c)H241 Π80一85%3%硝酸酒清浸独 500× 图309-2批齿轮金相组织 (a)HB236I70%3%硝酸酒精浸蚀100× (b)HB215Π60%3%硝酸酒精浸蚀 100×
3,试验齿轮的加工 其余T。 试验齿轮如图4所示。为了便于取得弯曲 疲劳性能的数据，共参数确定1下：m=密米. Z1=Z,=75,a。=20°，标准渐开线齿形（八 =0,B。=0°)，全部试件均系齿加工而成， 通过测量基节，判定齿轮加工精度为7级。齿 面光洁度76。 为了便于检测、观踪、记录，要在试验齿 轮的某些齿上做记号，在少部分轮齿齿根附近 用钢字打上数码，打上钢字的齿占全体齿悬的 18.7%。 测量28个齿轮的118个格节f。的数，共 均值f。b=6.16微米，标准内差0=1.783微米。 另外，抽测09-007和09-012两个齿轮的齿 形误差f:值如图5所示，川它们的平均值∫，= 12.04徽米作为本批齿轮的齿形误差们。 囹试脸齿轮的主要尺寸 14微米 12做米 10.5米 9-007 110.5微来10.减1微米 |16微米 n=2 Z=75 09-012 m=2 7=75 6米 18微米 16.5微 17 coZ 37 17 407 207. 图5两个齿轮的指形记差 二、诗验过程 每对齿轮正式投入：负荷运转前，一都过加载为2.3公斤·米的6~8小时的轻载跑 合，假如发现偏载较罪时，还要延长跑册闻或职错开哕合齿对你手段以后再继续跑合， 以改善偏载情况，直窄偏我齿数少于十分之一时，才正式加我试验。 试验时，对各对试验齿轮所加载荷主要按照估计极限应力的1倍、1.2倍…1.8倍那样 进行分配。 在正式加载试验中，第一班每隔2小时重新加载一，以后每8小时承新加载一次， 以保证卸载率不超过2%。 发现断齿，试验立即结束。 121
试 验齿轮 的加 工 试 验齿轮如 图 所 示 。 为 了便 于取 得弯 曲 疲 劳性能的 数据 ， 少 ‘ 参数确定如 下 之毫米 ， 二 ， 。 二 。 ， 标准渐 开线 齿形 二 ， 日 。 “ ， 全 部试件 均 系 拈 齿加工 而成 ， 通过 测量基 节 ， 判 定齿轮 加工 精度 为 级 。 齿 面光洁度甲 。 。 为 了便 于检 测 、 观察 、 记 录 ， 要 在 试 验 齿 轮 的 某些 齿上做记 号 ， 在 少 部分轮齿齿 根 附近 用 钢 字打上数码 ， 打 上 钢 字的 齿 于全 休齿 彭 、 的 。 测 量 个齿轮 的 项 个 从 节 。 的 数州 ， 共 均值尹 微米 ， 标 准 离差 二 阳 微 米 。 另外 ， 抽 测 一 。 和 一 两个 齿轮的 齿 形误差 ，值如 图 所 示 ， 用 它们的 平均 他 ， 微米作为本批齿轮的 齿形误 差 仇 。 共余 ， ，了 下 〔 之 曰 共一 万 州 长 乙 口 一 ，气 侣乃 阅 卜 丫丫 人 卜 △ 讨沐明 图 选 试 验击 轮 的 主 要 尺 寸 一 二 川 卜 洲叫叮乙口一 ﹁目﹄们 称﹃州 裔旧 ，︸ 佑 件甘比角甲厂 飞成公李 洲州 少丁 广 凡 微米 一 下 性 图 两 个齿 轮 的步形 误 差 二 、 斌 几 七程 每 对 齿轮正 式投 入 ‘ 二负荷运 转 前 ， 一世 吮灯 过 加 载 为吧 一‘ 介 斤 · 米 的 一 小时 的 轻载跑 合 ， 假如 发现 偏载较重 时 ， 还 要延 长跄 介时 间或 录几 错开 啮 介齿对 等手段 以 后再 继 续 跑 合 ， 以 改 善偏 载情况 ， 直 至 偏载齿数 少 于十 分之一 时 ， 才 正 式 加载试 验 。 试 验时 ， 对 各对 试 验 齿轮所 加 载荷 主要按 照 估计 极 限 应 力的 倍 、 倍 … … 倍那样 进行分配 。 在正 式 加 载试验 中 ， 第一班钉 隔 小时 垂 新 加 载一 次 ， 以 后 协 闲 小 时 派 新加载一 次 ， 以 保证 卸载率不 超 过 。 发现断 齿 ， 试验立 即 结束
三、试验结果 本试验的齿轮弯曲应力o采用了【SO/TCb199E及201E的计算方法1！。计算结果和 试验寿命列于表3，其相应的弯曲疲劳S-N曲线如图6所示。 0,(公斤/毫米) 60 50 40 30 20 5×1056 78910 4 5 6 78 9107 图6珠光体和珠光体一铁素体球铁齿轮弯曲疲劳曲线 a-50%可弃度b-99%可弊度 运用最小二乘法，可以求出珠光体和珠光体一铁素体球铁齿轮弯曲度疲劳曲线方程为： 0p323720N=2.941478×1011 (1) 式中0以公斤/毫米2为单位，该方程的可靠度R=0.5。 应力循环基本数N,=5×10时，弯曲疲劳应力极限值o11m=29.4公斤/毫米2 根据试验数据求出可靠度R=0.99时的弯曲疲劳方程为： g328728N=8.6050375×1010 (2) 相应的具有99%可靠度的弯曲疲劳极限应力0g11m=20.4公斤/毫米2(200.124N/毫米2)。 设计计算时，如采用计算式，那么寿命系数以Yr表示。 当N2<5×10时，， -[59]i. 当N2≥5×10时Yr=1。 122
三 、 试 验结果 本试验 的齿轮弯 曲应 力 ，采 用 了 及 的计算方法 ‘ 。 计算结果和 试验寿命列 于 表 ， 其相应的弯曲疲 劳 一 曲线如 图 所示 。 。 ， 公斤 毫米 、 、 、 、 如 、 、 、 、 、 ，，肠 卜卜 尸 ，，如 、 ， 、 、 、 、 、 、 、 ， 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 夕、 、 、 、 、 、 卜卜 ’ 、 、 、 一 甲，，月， 州 目困 ，，， ， 图 珠光体 和珠光体一 铁素体 球铁 齿 轮 弯 曲疲 劳 曲线 可 亦度 一 可 亦度 运用最 小二乘法 ， 可以 求出珠光 体和珠 光体一铁 素休球铁 齿轮弯 曲度疲 劳 曲线 方 程为 ’ 恋 二 ’ 互 式 中 ， 以公斤 毫米 为单位 ， 该 方程 的可靠度 二 。 。 应力循环基 本数 。 二 。 “ 时 ， 弯 曲疲 劳应 力极 限值 ， ， ，。 二 公斤 毫米 根 据试验数据求出可靠度 二 时 的弯曲疲劳方 程为 ， ’ 卫 相应 的具有” 可靠度 的弯曲疲劳极限应 力。 ， ， ，。 公斤 毫米 毫米 。 设计计算时 ， 如采 用计算式 ， 那 么寿命系数 以 ， 表示 。 当 。 、 。 · 时 ， ， 封 一「 一旦黔 皿 一 皿 ， 当 全 时 ，