三种贝氏体球铁齿轮抗弯能力的试验研究

D0I:10.13374/j.issn1001053x.198M.s1.020 北京钢铁学院学报 1984年增刊1 三种贝氏体球铁齿轮抗弯能力的试验研究 t 北京钢铁学院范民政康以蟹 北京市机电研究院梁喷 摘耍 本文总结了三种贝氏体球铁齿轮的齿根弯曲疲劳极限应力口：。的测定结果。 根据齿轮疲劳强度的快速测定方法，采用ISO/TC60424《直齿及斜齿园柱齿轮传 动承载能力计算的基本原理》，求得循环基数N0=3×10°时的σ11。（可寡度为 99%)分别为： 材 料 我国钒钛 芬兰铜钼 美国铜钼 OFiIn(N/mm 2) 305.7 242.32 240.65 作者对测定结果和断口特点进行了初步分析。 引 言 贝氏体球墨铸铁是一种十分有前途的齿轮材料。目前常见的有四种类型： 1.铜钼下贝氏体球铁（以后简称我国铜钼）， 2.钒钛下贝氏体球铁（以后简称我国钒钛），这是我国特有的一种球铁，【】 3。铜钼下贝氏体一马氏体球铁（以后简称美国铜钼），这是美国通用汽车公司研究 采用的，目前在美国已得到广泛应用，【) 4,铜钼上贝氏体一奥氏体球铁（以下简称芬兰铜钼），这是芬兰研制成的。【】 这四种贝氏体球铁各有特点，但作为齿轮材料，还未见过关于承载能力系统研究的国内 外资料。 我组根据有关资料，设计了齿轮试件。热处理后，经力学性能测定和金相检验，其机械 性能和组织结构与有关资料一致。 对我国铜钼的接触疲劳和弯曲极限应力作了系统的测定，【】对其它三种球铁齿轮则在 前面的基础上，用阶梯加载快速测定极限应力方法【1，对接触疲劳极限应力(·1）和 弯曲疲劳极限应力(D)进行了测定和比较。 试验条件 本试验通过9对齿轮，在已测得我国铜钼σ。-N曲线【7I的基础上，分别对另三种贝氏体 球铁齿轮作了弯曲疲劳极限应力σ11m的测定。 55

北 京 钢 铁 学 院 学 报 年增刊 三种贝氏体球铁齿轮抗弯能力的试验研究 北京钢铁学院 范民政 康以 ， 北 京市机 电研 究 院 梁 吸 摘 奥 本文 总结 了三 种贝 氏体球铁齿轮 的齿根弯 曲疲劳极 限应 力 ， 。 的 测定 结果 。 根 据齿轮疲劳强度 的 快速 测定 方 法 ， 采 用 《 直齿及 料齿 园柱 齿轮传 动承 载能 力计算的墓 本原理 》 ， 求得 循环 墓 数 。 ’ 时的 ， ， 。 可 亦 度为 分 别为 材 料 川 。 忍 我 国钒钦 芬 兰铜钥 美国铜钥 作者对 测定结果和 断 口 特点进 行 了初 步分析 。 引 、 臼 贝氏 体球墨铸 铁是一种十分有前途的齿轮材料 。 目前常见的 有四 种类型 铜钥 下 贝 氏体球铁 以后 简称我国铜钥 ， 钒钦下 贝 氏体球铁 以后 简称我国钒钦 ， 这 是我国特有的一种球 铁 ， ‘ 】 铜钥 下 贝 氏体— 马 氏体球 铁 以后 简称美国铜钥 ， 这 是 美国通用 汽车公 司研究 采用的 ， 目前 在美国 已 得到广 泛应用 ’ 铜钥 上 贝氏体— 奥氏体球铁 以下 简称芬兰铜钥 ， 这 是芬兰研 制成的 。 【 】 这 四 种 贝 氏体球铁 各有特点 ， 但作为齿轮材料 ， 还未见过关于承载能 力 系统研究的 国 内 外资料 。 我组根据 有关资料 ， 设计了齿轮试 件 。 热处理后 ， 经力学 性能 测 定 和金 相检验 ， 其机械 性能和 组织结构与有关 资料一 致 。 对我 国铜钥 的 接触疲劳和弯 曲极限应 力作 了系统的 测定 ， 对其它三 种球 铁齿轮则在 前面的 基础 上 ， 用 阶 梯加载 快速 测 定极限应力方法 ， 对接触疲劳极限应 力 。 和 弯曲疲劳极限应力 ， 。 进行 了测定 和 比较 。 试 验 条 件 本试 验通过 对齿轮 ， 在 已测 得我 国铜 铂 。 广 曲线 的 基 础 上 ， 分别 对另三 种 贝 氏体 球 铁齿轮作了弯 曲疲劳极限应 力。 ， ， 的 测 定 。 DOI ：10．13374／j ．issn1001—053x．1984．s1．020

1. 试验装置：机械封闭弹性轴杠杆加载式齿轮综合试验台。【」 2.试验齿轮 （1)材质：列于表1 (2)试件的参数和编号：表2 (3)试件结构 表1 种类 我国钒钛 美国铜钼 芬兰铜钼 化学成分 V0.3%Ti0.1% Cu0.5%Mo0.2% Cu0.5%Mo0.2% 930℃ 380300℃ 900~910℃ 10 0 40 等温淬火 工艺 280℃ 250℃ 370℃ F 60 60 ookgf/m m2 130 120 103 0o.akgf/ mm* 112 103 82 机 Re 40.32 47.1 32.9 械 8% 0.8 0.9 4.7 性axkgf//cm2 4.55 10.5 能Ekgf/mm2 1.65×104 1.54×10 1.62×10 屈强比60,2 0.86 0.86 0.79 Ob 相 组 金相组织 ×400 ×400 ×400 石墨球化2级，大小为 石墨球化1级，大小为 石墨球化2级，大小 3级基体为：下贝氏体加少 3级基体为：下贝氏体加少 为3级基体为：上贝氏体 量铁素体 量马氏体有少量碳化物 加残余奥氏体 56

试 验装置 机械封 闭弹性轴杠杆 加载式齿轮综 合试 验台 。 ‘ 试 验齿轮 材质 列 于 表 试 件的 参数 和编号 表 试 件结构 表 种类 我 国钒钦 美国铜钥 芬兰铜钥 化学 成分 立… 、 二… 一 ℃ 刃叭 。 ， 。 。 ’ … ‘ ‘ 一 卜 ‘ · “ ’ 。 ‘ 又 屈 强 比黔 一 】 ’ ” 五攀球 化 级 ， 大小 为 器淤 下 贝 氏体加 少 金相 组织 石墨球 化 级 ， 大小 为 级 基体为 下 贝 氏体加 少 量 马 氏体有 少量碳 化物 石墨球 化 级 ， 大小 为 级 基体为 加残余奥氏体 上 贝 氏体

表2 直齿圆柱齿轮 模数m=3mm a=20° Z=50 加工精度7级 平均齿根圆角p1=0.6mm 材料 试验号 齿轮号 齿宽b 硬度 最大基节差 顶圆 根圆 mm) RC fpbmax(μm)da(mm) df(mm) 20-05 18.5 40 14.5 155.8 141.05 81-03-01 20-04 20.5 40.98 17 155.7 141.37 钒 20-02 18.5 40.28 15.5 155.7 141.30 81-03一02 钛 20-06 20.35 39.64 17 155.9 141 20-01 18.5 42.44 14 155.7 141.29 81一03-03 20-08 20.34 40.3 18 155.86 141.33 铜 21-01 18 47.09 29 155.75 141.8 81-05-01 21-06 19.5 49.35 12 155.85 141.06 21-04 18.2 49.22 13.5 155.9 141.42 81一05-02 21-05 19.4 48.98 20 155.95 141.1 马氏体 21-03 17.8 49.16 17 155.9 141.8 81-05-03 21-02 19.2 47.12 26 155.81 140.7 铜 22-05 19.4 31.01 22 155.78 140.87 81一04-01 22-01 19.4 32.57 10 155.72 140.28 责 22-04 18.8 32.02 15 155.66 141.09 81-04-02 22-03 19.3 33.13 20 155.76 140.71 奥氏体 22一06 18.4 30.56 9 155.86 141.45 81-04-03 22一02 19.4 31.28 10 155.7 141.19 钒钛下贝氏体球铁齿轮的结构如图1(a),通过六个孔用螺栓和试验箱中的花键套固接。 美国铜钼和芬兰铜钼齿轮的结构如图1(b)所示，利用轮毂端面的凹槽和试验箱中凸起联 接。 (a) (b) 图1试件结构 57

表 直齿圆柱齿轮 加工精度 级 模数 二 平 均齿根 圆角 ， 一 … 一二 材料 试 验号 齿 轮 号 … 齿宽 硬 度 最大基节差 顶 圆 卜 根 口 》 一 一 一 一 。 一 一 一 一 钒钦 ‘上‘ 件片︸一通 一 一 一 一 ，自， 自 一 一 。 … · 一 一 ‘ 城︸口︸ 一 一 一 一 户 一 一 一 一 钥铜下氏体贝马 上 ，丹‘ ‘ 心自︸ 厅丹‘才匕‘一 ︸自 ， 一 一 一 一 自， 勺户甘 内 八丹 了，上甘 一 一 一 一 只 一 一 一 一 钥铜奥贝体上氏 一碑 钒钦下 贝 氏体球铁齿轮的 结构如 图 ， 通过六 个孔用 螺栓和试 验箱 中的花键套 固接 。 尸 美国铜钥 和芬 兰铜 钥 齿 轮的 结 构如 图 所 示 ， 利用 轮毅端面 的 凹槽 和试 验 箱 中凸起 联 接 。 目卜州 乙 么荃 试件 结构

试验过程 1.运转前准备 每对齿轮安装好后，用涂色法测齿而接触长度，若偏载严重，则进行调整直到较为均 匀。加载20.25kgfm跑合8小时。 2.加戴方式和运转 正式试验时以Locoti阶梯加载 方式进行。所有试件的起始载荷均 为42.25kgfm。估算起始弯曲应力 or0=563.3N/mm2。 (计算时假定kA=1,kv=1.2, kpp=1:kra=1,yp==1.51 y=3,y,=1) n: 每运转2.5小时后停车检查，并 加载，载荷增加量为4kgfm,折合 图2加载曲线 弯曲应力为△=53N/mm2。每一 阶梯的循环次数为ni=222750次，循环比率△o/ni=2.4×10一◆。加载曲线如图2所示。逐 次加载直至断齿。 3.润滑 润滑方式为连续压力润滑，入口处喷油。润滑剂为50号机油。出口油温为35°~45℃。 4.试验结果 如表3所示，表中粗线表示每对试件正常运转所能到达的载荷台阶。 载荷 2345678910 试件号 丛我 422546.2550.255425582562.256625702574257B258225 20-0520-04 新一生 20-0220-06 断齿逝-蓝 20-08 21-0l 214 2105 尚五幽 2103 21-02 逝-查 3 22-01 断一查 22-3 22-0 2202 58

试 验 过 程 运 转前准 备 每对齿轮安装 好 后 ， 用 涂 色法测齿 而 接触 长度 ， 若偏 载严 重 ， 则进行 调 整直 到较 为均 匀 。 加载 跑合 小时 。 加 峨 方式和 运转 正 式试 验时以 阶 梯加载 方式进行 。 所 有试 件的起 始 载 荷 均 为 。 估算 起 始弯 曲 应 力 ， 。 计算时假 定 ， 、 ， ， ， ， 。 ， ， ， 。 ， 。 二 每运 转 小时后 停 车 检 查 ， 并 加载 ， 载荷增 加 量 为 ， 折 合 匕 。 又 合 图 加 载 曲线 弯曲 应 力 为△ 。 每一 阶梯的 循环 次数为 二 。 次 循 环 比率 △ 。 一 ‘ 。 加载曲线如 图 所示 。 逐 次加载直至 断 齿 。 润 滑 润 滑方 式 为连 续压 力润 滑 ， 入 口 处喷 油 。 润 滑 剂 为 号 机油 。 出 口 油温 为 。 ℃ 。 试挂结果 如表 所示 ， 表 中粗线 表示 每对试 件正常运 转所能 到达 的 载荷 台阶 。 俪祥裂 乡 留 袱乃 城乃皿乃 夕口 毖乃 万么乃 石，乃 双万 一乃 形乃 田乃 主幼特 粼幼粉， 公外万 勿 一 断一 丙 哪 匕厂 勿 断一 忆 内 扮 即忆形 匕 断一齿 — 厂 功哪 夕卜如 匕 断四揭 厂 刀刃 ，助 匕 舒齿 尸 哪 一 巧 嫩曲 之自乃 ‘ 阶 一 齿 刃 一 匕尸 淤 斜 【 匕 一 尸 扮侧 左 ‘ 断二公 仍 一 」 匕 厂 斜 左招夕 一 匕 — 厂

数据处理 1,齿根弯曲应力计算 (1)计算公式：本试验采用IS0/TC60/WG6119E一201E的计算方法中的B法【1。 计算公式为： Ft Cp=bM ypy:yokakvkpikpa (2)为了和ISO/TC60/WG6201E的弯曲极限应力在相同的条件下进行比较，须用 下列公式换算【5】 Op!=Op/YSTYNYoreITYRIeITYx (3)按以上公式分别计算出各个阶梯的σ和·'（此处从略）。 2.累积损伤计算 根据我国铜钥齿根弯曲疲劳极限应力的系统测定所得σ-N曲线，【) gg87N=2.016×1018 (1) 作为参考曲线。另设二条与其平行的辅助参考曲线 04887N=1.1334×101° (2) o4887N=4.447×1018 (3) 分别以N。5=5×10°（因在我国铜钼弯曲试验中确有N,>5×10的试件）和N。3=3×10 (为便于和其它材料对比)为循环基数。计算出各阶梯的载荷相对于这三条参考曲线的极限 循环次数Ni和每一阶梯的疲劳损伤度ni/Ni,最后计算出试件在整个试验过程中的累积损 伤值ni/Ni,见表4， 当N,5=5×10°时三条参考曲线的对应Op11n 为： 0}m=237.01 0m=337.46影 0f11m=278.66 当N。3=3×10°时三条参考曲线的对应011m值 为： 01}m=263.01, 071。=374.64,6 1m=309.37 3.极限应力 由表4所得试件的累积损伤∑i/Ni,与相应参考曲线的极限应力gp11m,可用图解法 或解析法求得试件的极限应力值。 图3,4,5为图解法所得结果。此三图为N。=5×10时三种材料的工-0，曲线当 工晋=1时的@值，即为此种材料的0,11。 利用Lagrangl描值公式可算得同样空结果、计算公式为： P(),+ (x-xo)(x-xz)…(x-xn) (x1-x)(x1-x2)…(x1-X)y1+…+ +刘 59

数 据 处 理 齿根 有曲应 力计算 计算 公 式 本试 验采用 一 的 计算方法 中的 法 ‘ 。 计算公式为 仃 石丽 ， ， ， 。 为了 和 · 的弯 曲极 限应 力 在相 同的 条件下进 行 比较 ， 须 用 下列 公 式换 算 〔 。 ，， 。 ， ， ， 。 ， 按 以 上公 式分别 计算 出各个阶梯 的 ， 和 ‘ 此处从略 。 爪积 抓伤计林 根据 我国铜钥 齿根弯 曲疲 劳极限应 力的系统测定所 得 一 曲线 ， ， ‘ ’ 作 为参考曲线 。 另 设二 条与其平行 的 辅助 参考曲线 ’ ‘ ’ ’ 分另 以 。 ‘ 因在我国铜银弯曲试 验中确有 的试 件 和 。 为便于 和其 它材料对 比 为循环 基数 。 计算出各阶梯的 载荷相 对于这三 条参考曲线 的 极 限 循环次数 和每一阶梯的疲 劳损伤 度 ， 最后 计 算 出试 件在 整个试 验过程 中的 累积 损 伤 值 公 ， 见 表 ， 当 。 “ 火 时三 条参考曲线 的 对应 ， ， 。 为 声 二 ， 若 二 ， 清 。 当 。 ， 。 。 时三 条参考曲线 的 对应 ， ， 值 为 若 清 。 ， 声 二 极限应 力 由表 所 得试 件 的 累 积 损伤 习 ， 与相应 参考曲线 的极 限应 力。 ， ， ， 可 用 图解法 或 解析法求 得试件 的 极 限应 力值 。 图 ， ， 为 图解法所 得结果 。 此三 图为 。 、 ’ 时三 种 材料的 ￡ 黑 一 一。 ， 曲线 当 、 公 卫李二 时 的 ， 值 ， 即为此种材料 的 ， ， ，二 。 利用 描值 公式可 算得同样 密 结果 、 计算公式 为 一 一 。 一 一 。 一 一 一 一 一 一 。 一 … … 一 。 … … ， 一 十 … … 一 一 … … 一 。 一 。 … … 一 。 一