常州天山重工機械有限公司
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一、主題內容與適用范圍
本標準規定了測定漸開線圓柱齒輪接觸疲勞強度的試驗方法，以確定齒輪接觸承載能力所需的基礎數據。
本標準適用于鋼、鑄鐵制造的漸開線圓柱齒輪由齒面點蝕損傷而失效的試驗。其它金屬齒輪的接觸疲勞強度試驗可參照使用。
二、引用標準
GB1356漸開線圓柱齒輪基本齒廓
GB3480漸開線圓柱齒輪承載能力計算方法
GB8539齒輪材料及熱處理質量檢驗的一般規定
GB10095漸開線圓柱齒輪精度
ZBJ17003工業齒輪潤滑油選用方法
三、主要代號
本標準中主要代號、意義及單位見表1。
表1
代號 | 意義 | 單位 |
AS ASW A1T A2T A1TW A2TW- a b C C′ d1 Ft k KA KHα KV m | 試驗齒輪單個齒面上點蝕面積之和 試驗齒輪單個齒面的工作表面積 試驗齒輪副主動輪全部點蝕面積之和 試驗齒輪副被動輪全部點蝕面積之和 試驗齒輪副主動輪各齒工作表面積之和 試驗齒輪副被動輪各齒工作表面積之和 試驗齒輪箱中心距 工作齒寬 威布爾分布函數的尺度參數 S-N曲線方程常數 修正后的S-N曲線方程常數 試驗齒輪小輪分度圓直徑 端面內分度圓周上的各義切向力 威布爾分布函數的形狀參數 使用系數 接觸強度計算的齒間載荷分布系數 動載系數 齒輪模數 S-N曲線方程指數 | mm2 mm2 mm2 mm2 mm2 mm2 mm mm mm N mm |
m′ N n Nj NL No R Rs RT RZ r S T1 T1max T2 u ZE ZH ZL ZR ZV ZW ZX Zβ Zε σHlim σHO σH σlnN σN σNj μlnN μN η ΔFP ΔFβ Δff Δfpb | 修正后的S-N曲線方程指數 應力循環次數 試驗點總數 齒輪接觸疲勞區上臨界點的循環次數 試驗齒輪齒面應力循環次數 齒面應力循環基數 可靠度 單齒點蝕面積率 齒輪副點蝕面積率 微觀不平度10點高度 試驗有越出點時的失效試驗點數 應力 實測試驗齒輪箱輸入轉矩的平均值 實測試驗齒輪箱輸入轉矩的最大值 實測試驗齒輪箱輸出轉矩的平均值 齒數比 彈性系數 節點區域系數 潤滑油系數 粗糙度系數 速度系數 齒面工作硬化系數 接觸強度計算的尺寸系數 接觸強度計算的螺旋角系數 接觸強度計算的重合度系數 GB3480的試驗齒輪接觸疲勞極限 循環次數為5×107時的R-S-N曲線應力計算值 試驗齒輪齒面接觸應力 對數正態分布函數的母體對數標準差 正態分布函數的母體標準差 循環數為N1時R-S-N曲線應力計算值 對數正態分布函數的母體平均值 正態分布函數的母體平均值 試驗齒輪箱效率 齒距累積誤碼差 齒向誤差 齒形誤差 基節偏差 | % % μm N/mm2- N·m N·m N·m
N/mm2 N/mm2 N/mm2 % μm μm μm μm |
四、試驗方法
確定齒輪接觸疲勞強度應在齒輪試驗機上進行試驗齒輪的負荷運轉試驗。當齒面出現接觸疲勞失效或齒面應力循環次數達到規定的循環基數N。而未失效時（以下簡稱“越出”），試驗終止并獲得齒面在試驗應力下的一個壽命數據。當試驗齒輪及試驗過程均無異常時，通常將該數據稱為“試驗點”。根據不同的試驗目的，選擇小列不同的試驗點的組合，經試驗數據的統計處理，確定試驗齒輪的接觸疲勞特性曲線及接觸疲勞極限應力。
（1）常規成組法
常規成組法用于測定試驗齒輪的可靠度-應力-壽命曲線（即R-S-N曲線），求出試驗齒輪的接觸疲勞極限應力。
試驗時取4～5個應力級，每個應力級不少于5個試驗點（不包括越出點）。最高應力有中的各試驗點的齒面應力循環次數不少于1×106。最高應力級與次高應力級的應力間隔為總試驗應力范圍的40%～50%，隨著應力的降低，應力間隔逐漸減少。最低應力級至少有一個試驗點越出。
（2）少試驗點組合法
少試驗點組合法通常用于測定S-N曲線或僅測定極限應力。
試驗時試驗點總數為7～16個。測定S-N曲線時，應力級為4～10個，每個應力級取1～4個試驗點。
測定極限應力時可采用升降法。
采用正交法進行對比試驗時，每個對比因素至少有3個試驗點。
五、試驗條件及試驗齒輪
（1）齒輪接觸疲勞強度試驗按下述規定的試驗條件和試驗齒輪進行（對比試驗的研究對象除外），上此可確定試驗齒輪的接觸疲勞極限應力σHlim。
1、試驗條件
A、試驗機
試驗應使用功率流封閉式結構的齒輪試驗機，試驗機的性能校核見表A（補充件）。試驗機的中心距一般為90～150mm，試驗齒輪線速度為8～16m/s。試驗機的精度應不低于試驗齒輪所要求的精度，試驗機應具有以下基本功能：
a.齒輪斷齒時自動停機；
b.有保證齒輪良好潤滑的循環噴油潤滑系統；
c.有潤滑油油墨度控制裝置，回油溫度控制在60℃以下；
d.有循環次數記錄裝置，其記錄誤差不大于±0.1%。
5.1.1.2潤滑油
按ZB J17 003進行潤滑油的選擇的保養。一般情況下試驗機連續運轉三個月應進行潤滑油的取樣檢查。
B、試驗齒輪
試驗齒輪模數的選擇應保證在試驗中不出現彎曲疲勞斷齒，通常取m=3～8mm。螺旋角β=0°,齒數比u=1.2～1.5(小齒輪為主動輪)，試驗齒輪副材料相同，工作齒寬b＞0.05a（中心距，mm），表面粗糙度RZ=2～5μm，精度為GB10095的4～6級，基本齒廓應符合GB1356的規定。
試驗齒輪的材料、熱處理及加工檢測見附錄B（補充件）。
2、齒輪接觸疲勞強度試驗也可在試驗條件和試驗齒輪參數與產品齒輪工況和參數一致或相近的條件下進行。
六、接觸疲勞失效判據
一、失效判別方法
齒輪接觸疲勞強度試驗是以齒面點蝕損傷程度作為接觸疲勞失效的判據。判別方法有以下兩種：
a.單齒點蝕面積率
RS=AS/ASW…………………………（1）
式中：RS——單齒點蝕面積率，%；
AS——試驗齒輪單個齒面上點蝕面積之和，mm2；
ASW——試驗齒輪單個齒面的工作表面積，mm2。
b.齒輪副點蝕面積率
RT=A1T/A1TW+A2T-/A2TW…………………………（2）
式中：RT——齒輪副點蝕面積率，%；
A1T——試驗齒輪副主動輪全部點蝕面積之和，mm2；
A2T——試驗齒輪副被動輪全部點蝕面積之和，mm2；
A1TW——試驗齒輪副主動輪各齒工作表面積之和，mm2；
A2TW——試驗齒輪副被動輪各齒工作表面積之和，mm2.
二、失效判別準則
1、非表面硬化齒輪，點蝕一般總是在所有齒面上出現。當試驗齒輪副的硬度相等或相近時，它們的點蝕損傷極限為：
RT=2%…………………………（3）
當試驗齒輪齒輪副點蝕面積率達到式（3）的點蝕損傷極限時，即判定該齒面失效。
2、表面硬化齒輪，包括滲碳、滲氮、碳氮共滲、火焰或感應淬火的齒輪，點蝕一般在少數齒上出現。它們的點蝕損傷極限為：
RS=4%………………………………（4）
或
RT=0.5%…………………………（5）
當試驗齒輪點蝕面積率達到式（4）或式（5）的點蝕損傷極限時，即判定該齒面失效。
3、非表面硬化的試驗齒輪循環基數N0=5×107。表面硬化的試驗齒輪循環基數N0≥5×107。當齒面應力循環次數達到循環基數N0-，而齒面點蝕損傷速度未達到點蝕損傷極限時，試驗停止，判定該試驗點越出。
七、試驗步驟
7.1試驗前準備
7.1.1按5.1條進行試驗時，試驗前應按附錄A（補充件）的規定進行齒輪試驗機的性能校驗。
7.1.2清洗試驗齒輪后目測檢查，齒面不得有腐蝕，銹蝕或其它形式的損傷。對試驗齒輪、輪齒及齒面進行編號。
7.1.3試驗齒輪安裝后應檢查齒面接觸情況，按5.1條進行試驗時，試驗機加載至試驗載荷，齒面沿工作齒寬方向接觸斑點不小于90%，沿齒高方向接觸斑點不小于80%。
7.2預備性試驗
預備性試驗是為了確定試驗的應力級，一般可通過測定一條S-N曲線來估計疲勞區的應力范圍和極限應力，并根據4.1條的要求確定應力級。
7.3試驗過程的監控
7.3.1試驗中應經常檢查試驗機的運轉情況并控制油溫。對靜態加載的試驗機應根據卸載情況確定重新加載的時間間隔，并作詳細記錄。
7.3.2根據試驗齒輪的接觸應力大小確定齒面檢查時間間隔。試驗初期限可用10倍放大鏡觀察齒面，發現齒面點蝕損傷后應及時根據損傷形貌及擴展趨勢縮短檢查的時間間隔，以便準確記錄達到齒面點蝕損傷極限時的循環次數，若檢查齒面時點蝕面積率已超過點蝕損傷極限，則取該段時間隔的一半作為該間隔達到齒面失效時的時間。
7.3.3對點蝕損傷的形貌，在齒面上的位置、該齒面的齒序號及應力循環次數進行跟蹤檢查，并作描述和記錄。必要時進行復膜或照相。
7.3.4在試驗過程中，若沒有出現齒面點蝕面出現了其它損傷，如非正常磨損、膠合等，則應仔細記錄它們的變化情況，并應改善潤滑條件及運轉條件。當出現中等磨損、中等膠合工出現輪齒斷齒時，應判為非接觸疲勞失效，該數據不能作為試驗點。
7.4補充試驗點
同一應力級的試驗點做完后應時行分布檢驗[見附錄C（補充件）]，若分布函數的線性相關系數不能滿足最小值的要求時，需補充試驗點。
7.5失效分析
八、試驗齒輪接觸應力計算
