对于具有高制造和表面质量的应用,高质量钢在提高承载能力和功率密度方面具有很大的潜力。

T他通过不同的研究活动不断增加齿轮箱的电力密度。除了新的材料开发之外,钢制清洁旨在满足关于齿轮承载能力的未来要求。高质量钢的负荷携带电位的实验量化是将清洁作为设计参数的清洁度的基础。

本文对不同清洁度钢的齿根承载能力进行了研究。研究是在一个带有标准FZG-C齿轮几何形状的脉动试验台上进行的。为了确定和比较被试钢的不同性能,需要保证在试验台上正确地施加力。这样,就有可能在相同的钢级成分内,清楚地区分不同清洁度等级的耐久强度。

对于脉动仪测试,提出了一种用于检查和确保齿轮正确夹紧的方法。使用该过程,进行对具有不同清洁度水平的常规制造齿轮的耐久性测试。得到了齿根强度的平均值以及试验结果的散射,并证明了较高清洁度对增加平均值和降低散射的影响。关于平均值的置信水平是关于均衡的测试数量。

因此,将钢清洁度对提高耐久性和减少散射的影响与制造和试验的影响分离开来。更高级别的清洁度考虑了发生故障机制的影响。特别是在具有高制造和表面质量的应用场合,高质量钢在提高承载能力和功率密度方面具有很大潜力。

1介绍和动机

多年来,轴承和柴油喷射系统等苛刻的应用一直在推动空气熔融、大批量生产、清洁钢的发展。通过环保立法和不断努力提高许多应用中的功率密度,齿轮行业现在也对清洁钢表现出越来越大的兴趣。这是由于钢材清洁度对耐久强度的影响,与许多高周疲劳齿轮应用相关。此外,随着更频繁地使用复杂的后处理技术,如超精加工和喷丸处理,材料质量的重要性日益增加。这本身就是清洁钢使用的驱动力,因为此前,表面质量等其他因素一直是最薄弱的环节。

不同材料清洁度的试验结果表明,清洁度的提高对承载能力有一定的影响。除了承载能力,清洁度也会影响测试结果的分散性。

2目标与方法

在功率密度方面对齿轮的需求不断增加,这就要求采用新的方法来设计齿轮几何结构,并提高材料承载能力。具有高清洁度的钢已经用于材料要求极高的应用中。本文将研究材料清洁度对齿根承载能力和试验分散度的影响。

目的是在考虑试验分散的情况下确定承载能力的增加,并将其与试验本身和试验几何形状的影响分开。为此,研究了三种具有不同清洁度的同等级钢的变体。

试验是在一个使用标准化齿轮几何形状的脉动试验台上进行的。为保证试验中正确施加载荷,减少试验设置对分散点的影响,提出了一种脉动器试验中压力分布的校核方法。对疲劳强度方面的试验进行了均值和散射分析。在考虑置信区间的情况下,对所研究变量的承载能力进行了比较,强调了清洁度对承载能力的影响。

3清洁度对耐力强度的理论影响

以往对材料缺陷对承载能力影响的研究表明,缺陷的大小和分布是重要的参数。材料的清洁度反映了缺陷的数量及其发生的频率。

村上春树研究了材料中夹杂物对承载能力的影响。特别是对于HV>400的硬钢,缺陷或夹杂物的大小对承载能力有重大影响[11]。亨瑟在他的工作中指出,更高的清洁度会提高斜齿轮的齿根承载能力[4]。Konowalczyk分析了缺陷尺寸对齿面断裂承载能力的影响。缺陷尺寸对承载能力有决定性影响,与芯部硬度和外壳深度无关。缺陷尺寸的减小导致齿侧断裂的承载能力显著增加[9]。

根据已有的材料清洁度对承载能力影响的研究,可以预见,随着清洁度的提高,承载能力将会增加。缺陷尺寸对疲劳强度有主要影响。另一方面,缺陷的数量影响了测试结果在疲劳强度周围的分散。

4研究材料,测试齿轮

在研究中,考虑了20MnCr5材料的三种不同洁净度。研究使用标准化的FZG-C齿轮几何进行脉动器测试,以确定齿根承载能力。传统的齿轮加工链包括车削、软加工、热处理和磨齿等工艺步骤。所有变体都在同一批次中进行热处理。在磨削过程中,只加工齿侧。接下来,介绍了被检测材料的性能以及被检测部件的齿轮几何形状和制造质量。

4.1材料特性

测试了三种不同的20mncr5材料,具有假定的不同清洁度水平,传统的20mncr5作为参考,轴承质量为20mncr5(236f;钢1),以及超薄各向同性的质量20mncr5(236q;钢2)。表1显示了钢的化学成分。

表1:材料的化学成分、铸造形式和缩面积。

钢1和钢2采用废钢、空气熔体和铸锭工艺路线生产,参考材料来自大容量铁矿基连铸工艺路线。它们的区别主要在于钢的起始材料以及金属的铸造和成形过程。

虽然这些材料在纸上看起来相似,特别是钢2,但其性能是不同的。在整个炼钢过程中严格的工艺控制使得一种钢的疲劳性能与在某些重熔过程中通常达到的相似。

清洁钢降低了在负载体积中发现有害缺陷的概率,即,夹杂物使得尽可能小,这是通过包含控制和通过金属成形的增加的面积减少来实现的。

使用扫描电镜进行洁净度评估,大约为7000毫米2对于系列生产材料,只检测到大于10µm的缺陷。这种简单方法记录了大于10µm的缺陷以及最长或最大的夹杂物(表2)。

表2:SEM评估结果。

超声波浸泡测试用于检测较大的材料体积,以建立在宏观清洁度水平上的材料质量,因为它清楚地将洁净钢与不洁净钢区分开来。这种类型的测试用于检查所有三种类型的钢的宏观清洁度,校准到0.2 mm的平底孔(FBH)[16]。每种材料的体积在4-6公斤之间,没有发现钢1或钢2材料的指标,只有很少的指标供参考,表明良好的宏观清洁度。[2]以前的研究表明,通常在标准评级方法的微洁净度方面发现很少的差异,而覆盖更大面积或体积的方法可以更好地了解材料的特性。

4.2齿轮几何形状和制造质量

在标准FZG-C试验齿轮上对脉动试验台进行了研究。小齿轮的齿轮数据显示在图1的左侧。由于在脉动试验台上只需要一个齿轮,所以只使用了FZG-C齿轮组的小齿轮。图1的右侧部分显示了各自变体的测试齿轮的制造质量。齿轮质量的评估以ISO 1329-1:2013[15]的IT公差等级的形式进行。为了评价齿轮质量,在Klingelnberg P16齿轮测量中心对所有被测齿轮进行了四齿测量。随后,所考虑的偏差变量的最大偏差被转移到ISO 1329-1:2013的IT类。

图1:齿轮数据和制造质量。

图1显示了所有测量齿轮的最大公差等级。在脉动试验台中载荷的正确应用,尤其受到齿面制造质量的影响。在此基础上,计算了齿廓和螺旋方向的偏差参数。这三种变体的IT质量在相似的范围内。为了减少制造误差对疲劳强度的影响,在调查中定义了最大IT类为IT = 6。所有检查的齿轮符合这个公差限制或显示更好的质量。高的制造质量应该能够精确的确定牙根耐力强度,从而能够确定材料的清洁度对承载能力的实际影响。

除齿面的质量外,齿根的几何形状和粗糙度对齿根承载能力也有决定性的影响。牙根应力的最大值通常发生在牙根的30°切线处[8,12,14]。在这一点上,小的根半径会导致在相同载荷下的应力更高,从而降低承载能力。因此,为了排除对测试结果的影响,我们考虑了该区域的齿根圆角半径。由于齿轮是常规制造的,在热处理后齿根没有被加工。所有齿轮经热处理后喷砂清理,去除表面氧化。根圆角在Klingelnberg P16齿轮测量中心测量。半径ρF、 30°在30°的切线范围内,然后根据测量的点云确定。根圆角半径被确定为每个调查小齿轮在四个间隙。

在图2中,左侧显示了三种变体的30°切线处的平均牙根半径。此外,最大和最小测量半径显示为偏差棒。平均牙根半径为ρF,30°,参考,意思= 2.22毫米,ρ30°,钢的意思= 2.24毫米和ρ30°、钢铁2的意思= 2.22毫米。因此,这三种变体的牙根几何形状没有显示出显著的偏差。由于根半径的平均值是对应的,所以这些偏差仅对脉冲试验中确定的散度有影响。由于三种变体的齿根半径分布相似,可以预见,对齿根承载能力分布的影响也会相似。

图2:牙根几何形状和粗糙度。

除了齿根圆角的几何形状之外,齿根中的粗糙度对测试中可实现的负载承载力的影响[8,12,14]。高粗糙度值充当缺口,从而促进表面上的裂缝。为了评估所研究的小齿轮的粗糙度,在30°的范围内测量平均粗糙度深度Rz。测量从齿根开始,并在轮廓方向上运行到齿尖。使用第四度多项式从测量中过滤根圆角的曲率。粗糙度在每个变型的两个档位上以两个间隙测量。

在图2的右侧,示出了所检查变体的左侧和右侧的Rz值。变体的平均粗糙度深度是相似的。变型REF的RZ值显示出略大的散射。然而,由于根据ISO 6336的载荷容量对载荷容量的影响小,因此预期了对测试中确定的疲劳强度的影响。

5测试设置和测试过程

在脉动器试验中对齿根承载能力进行了模拟试验,对齿根进行了检验。与运行试验相比,脉动器试验减少了影响试验结果的因素。因此,可以孤立地考虑材料洁净度对牙根承载能力的影响。此外,在脉冲试验的测试设置允许在一个齿轮上进行几次测试,从而减少了测试齿轮所需的数量。在下面,将解释测试设置、负载分配的验证以及使用的测试和评估程序。

5.1测试设置和对准检查

脉动器测试近似于齿啮合中的部分载荷曲线。图3显示了脉动器中正齿轮的夹紧情况。齿轮夹在两个脉动器钳口之间。两个钳口中的一个固定并连接到称重传感器。另一个脉动器钳口执行机械驱动的脉动运动,从而用正弦载荷加载轮齿,该载荷由称重传感器监测。脉动器钳口的定位基于相邻齿尖的支撑,这允许在脉动器钳口接触中对齿轮进行中心对准。

图3右侧显示了所用正齿轮接触路径a–E上的齿根应力图。图的纵坐标标准化为最大齿根应力。

图3:脉动器测试的测试设置和接触线。

此外,一个齿网格内的单齿接触“1”和双齿接触“2”的区域被显示。由此可见,最大齿根应力点位于单齿接触的外点,因为整个扭矩只有一个齿传递,同时杠杆臂最大。在脉动器试验中,由于夹紧齿的数量决定了接触线的大小,因此不可能准确地测试单个齿接触的外点。在测试中,选择夹紧牙齿的数量,使结果接触线尽可能接近单个牙齿接触的外点。为了进一步计算牙根应力,我们考虑了测试过程中接触线的位置。有机械最小预紧力,上部脉动器力F普尔斯,你,必须存在于脉冲钳之间的测试齿轮的非正面固定,使得齿轮在测试期间保持在其限定的夹紧位置。与运行测试相比,预加载量不能承担最小值零。如果最小预载荷的量在最大下脉动件F的量的3-7.5%的范围内,则对承载能力的相关影响被归类为可忽略不计。普尔斯,[17]。在试验中,采用F普尔斯,你选择= -1 kn。具有F的预期平均较低的脉动力普尔斯,< - 20kn,所选预紧力满足韦根准则[17]。将夹紧牙齿的数量设置为z夹紧所有测试= 3。

测试中确定的牙根承载能力在很大程度上取决于测试中正确的载荷应用。最高承载能力是获得一个均匀的载荷分布超过齿宽。夹紧齿的螺旋斜度偏差、对中偏差、脉冲钳口损坏或夹紧不正确导致齿根局部应力峰值超过齿宽,影响确定的平均值和散点强度。为了能够分析材料洁净度对均值和散度的影响,我们使用图4所示的方法来检查脉动器试验装置中的负荷分布。

图4:检查测试设置中的压力分布。

fujifilprecale压力膜可以用来确定齿轮-脉动器颚接触的接触压力。压力膜在加载区域变红。颜色密度可以直接得出接触压力的结论。这样,就有可能识别和纠正不均匀的压力分布。在脉动器试验期间,每第三次试验检查一次负载分布,如有必要,进行修正。

5.2测试和评估程序

根据阶梯法进行齿根疲劳强度试验。在本程序中,以下试验的载荷取决于先前的试验结果[1,7]。在损坏的情况下,负载减少一步,在跳动的情况下增加一步。损伤标准是30°切线区域内齿根的裂纹或断齿。除了为确定平均值而进行的少量试验外,还可以在此程序中评估一个额外的虚拟点[7]。跳动达到的最大循环次数为NG= 6 * 106负载周期。楼梯评价按照Hück的方法进行,如图5所示。为了对结果的散度和平均值做出结论,对每个材料变量进行了15次试验。所有试验的步长为d = 1kn。

图5:阶梯法和评估程序acc。哈克[7]。

除牙根承载能力外,还对试验的离散度和测定值的统计可靠性进行了评估。为此目的,计算变量均值的置信区间,如图6所示。从有限数量的测试中确定平均值对应于估计值x,通常不完全对应于真平均值µ。如果测试点对应的是正态分布,则真实均值µ和估计值x可以显示为左图6所示。发生概率最高的是真实均值。对于不同的测试点序列,不同的估计值x的结果不同。估计值随测试点的正态分布出现的概率由图6中的曲线表示。

图6:均值置信区间的计算。

由于真实平均值µ通常是未知的,并且确定估计值x的实验数量是有限的,因此,考虑到测试结果的分散性,以定义的概率确定包含真实平均值µ的范围是有意义的。估计值x的置信区间表示真实平均值µ与定义的覆盖概率(1)之间的范围-α)所在地。实验的标准差越小,估计值周围的置信区间就越小。这同样适用于更多数量的测试。对于较大的覆盖概率,置信区间增大。[3]

先前对表面硬化钢齿轮的研究表明,试验点在阶梯法中呈正态分布[6]。因此,假设试验评估为正态分布。此外,通常选择95%的覆盖概率进行评估。基于各平均值的计算置信区间的比较,然后可以从统计角度说明比较的平均值是否相同。

根据ISO 6336-3标准计算[14],计算脉动力产生的齿根应力。使用的系数和方程式如图7所示。第一步是计算标称齿根应力σF0失败概率为50%

图7牙根应力acc的计算方法。ISO 6336 - 3。

影响因素F和YS考虑牙根圆角的形式和施加的力的变化对牙根应力的影响。利用接触线的位置和测量的齿根半径计算了脉动试验台夹紧位置的这两个因素ρF.Y的因素β率螺旋角对齿根应力分布的影响,是一个因为一个直齿圆柱齿轮测试。由于脉动器试验台中发生的载荷是被测量和控制的,并且齿与脉动器钳口接触时的载荷分布是均匀的,所以K因子均为1。

许用应力的计算σ以及名义应力σ这部电影这取决于几个假设。一个假设是,在运行测试中确定的齿根疲劳强度比脉动器测试低10%,因为在脉动器测试中,齿轮最弱的齿并不总是失败[6]。另一个假设是,对于表面硬化钢[6],疲劳强度可以通过0.86因子从失效概率为50%转移到1%。这个因素取决于大量的数据,而这些数据是ISO 6336标准的基础。由于这些因素尚未得到证实,对洁净钢进行了数值计算σσ这部电影受到不确定性的影响。

6试验结果与评价

以下是三种材料变体的研究结果。随后,在考虑置信区间的情况下,对确定的承载能力进行了比较,并对受试钢承载能力的增加进行了量化。最后,得到的三个变体的公称应力数与ISO 6336 - 5的值进行了比较。

6.1参考资料

图8显示了Ref变体的测试结果。在所有测试中,施加负载的频率大约为f = 30 Hz。结果确定的失败率为50%。所有的测试都是在同一个测试台上进行的。脉冲力的可承受平均双幅值为Fptp,平均值,参考值= 22.63 kN。根据ISO 6336,相应的牙根应力为σF0,意思是,裁判= 1302.45 N /毫米2. 楼梯过程中出现四个加载步骤。所进行试验的S/N图显示,损伤范围为105到106负载周期。

图8:基准材料测试结果。

6.2钢1材料

具有较高材料清洁度的钢1变体的测试结果如图9所示。潮流器力的耐久性平均双幅度是fptp,平均值,钢1= 24.5 kN。假设材料洁净度的增加会影响疲劳强度的增加,但测试点在楼梯上的分散与变体Ref的分散具有可比性。S/N图表明,损伤荷载循环次数减少。对于钢1,6*10不断裂5加载循环,与REF变体相比显着降低。

图9:钢1材料的测试结果。

损坏转移到较低的负载周期可能是由于改善的材料清洁度。减少数量和尺寸的缺陷在材料导致更少的潜在裂纹起源的材料。这减少了材料中的局部应力,增加了承载能力。缺陷仍然存在于材料中,但在增加的载荷下再次代表潜在的裂纹起点。在缺陷处裂纹萌生的情况下,由于应力的增加,材料中的裂纹扩展速度更快,牙根的损伤发生得更早。

6.3钢材2材质

图10显示了钢2变体的测试结果。脉冲力的可承受平均双幅值为Fptp,平均值,钢2= 24.25 kN。与其他两种变型相比,这种变型的楼梯中只出现三个负载台阶。因此,测试结果的散度较低。所进行的试验的S/N图表明,在发生损伤时的平均荷载循环次数类似于变体钢1的减少。因此,2钢洁净度的进一步提高并不会导致承载能力的进一步提高,而是会减少试验散点,减少断裂时的载荷循环次数。材料中缺陷尺寸的减小可以解释这种变化。

图10:钢2材料的测试结果。

由于2号钢的缺陷尺寸小于1号钢,有害缺陷出现在齿根最大应力临界区域的概率较低。试验结果的散度相应减小。然而,与此同时,其他不是由材料缺陷引起的损伤机制将限制承载能力的可能性增加了。因此,平均耐久负荷不会改变。然而,可以预期的是,改善的表面质量和增加的残余压应力将增加不同等级的钢之间的差异。例如,对于残余压应力,发生的失效模式可能会从表面失效转变为次表面失效,因为裂纹在表面被阻止了[5]。在这种情况下,材料的清洁度越高,强度就越高。

6.4考虑置信区间的结果比较

不同材料清洁度的试验结果表明,清洁度的提高对承载能力有一定的影响。除了承载能力,清洁度也会影响测试结果的分散性。为了量化影响,图11比较了三个变量的耐久平均脉动力。除了确定的平均值x,各自的测试系列的标准偏差和单侧置信区间CIx的平均值。变型钢1的承载能力增加到参考变型钢参考量∆= 8.3%或∆σ= 107.63 N /毫米2.对置信区间的检验表明,考虑到均值可能的散射,承载能力存在显著增加。变种钢1和钢2的平均值相差∆= 1%。由于钢2的置信区间位于钢1的区间内,对各自置信区间的考虑清楚表明,从统计的角度来看,这些变量的均值是相等的。

图11:考虑到置信区间的平均值比较。

实验的标准差在s = 2.7 ~ 4.1%范围内,与Höhn的值[6]吻合较好。没有根据计算的标准偏差对试验散度进行比较,因为要可靠地确定标准偏差[7],每个变体需要进行15次以上的试验。

为了对不同材料的确定强度进行分类,公称应力数σ这部电影ISO 6336 - 5的图12显示在图12中。分类ML,MQ和我描述了材料质量。相应类的值表示相应的材料质量的预期强度。此外,标称应力号的值σ这部电影显示了在测试中确定的参数。数值的计算基于图7中给出的公式和系数。ML类代表对材料质量和热处理的中等要求。经验丰富的制造商可以以适中的成本达到MQ级的要求。ME类代表了高度操作安全所必需的要求[13]

图12:测试结果的分类到ISO 6336-5的公称应力值。

Ref变体的优点是σ这部电影,裁判= 487.10 N /毫米2并且属于MQ -c类的范围,因此这种材料的强度已经处于ISO 6336 - 5类的较高级别。变种钢1和钢2的强度为σ这部电影,钢1= 527.35 N /毫米2σ这部电影,钢2= 521.97 N /毫米2.这些值对应于ME级,代表名义应力数的显著增加。由于所有的材料变体都是用相同的方式制造和热处理的,负载能力的增加是由于改善了材料的清洁度。高清洁度钢的等级符合ISO 6336 - 5对材料质量ME的最高要求。

总之,它可以表示材料的高洁净钢1会导致牙根增加负荷能力的测试参考材料相比Ref。进一步增加清洁的材料并没有导致负荷能力进一步提高,但减少测试分散。因此,对于材料变异型钢2,可以非常精确地预测部件的使用寿命,因为疲劳强度值的不确定性较小。在设计中,可以降低安全系数,增加功率密度。

7总结与展望

在标准化测试中,例如齿轮的脉动器测试,似乎可以区分不同的钢性能水平。调查表明,清洁钢的疲劳强度提高了大约∆= 8%。对于参考型,疲劳强度已经很高,为σ这部电影,裁判= 487.10 N /毫米2.然而,对于洁净钢,洁净钢1型和超洁净钢2型之间的区别更难确定。其他限制因素,包括表面质量和有时测试本身,可能会使这些差异不那么明显。从脉冲器测试中可以明显看出,随着洁净度的提高,材料行为中的散度降低。从统计学的角度来看,对于所选择的试验参数,洁净型和超洁净型的置信区间具有相同的疲劳强度。对于表面不同的残余应力状态或改善的表面质量,假设变量之间的差异会由于破坏模式的改变而增加。关于ISO 6336 - 5的分类,所调查的变种可以分类为MQ-c和ME的最高范围。

在这一研究的继续,进一步分析齿轮是要做的,以提高对残余应力状态,硬度轮廓的理解,并深入检查失效齿轮。

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印刷与版权持有人的许可,美国齿轮制造商协会,1001 N.费尔法克斯街,套房500,亚历山大,弗吉尼亚州22314。陈述在这篇论文是那些作者,可能不代表立场或意见的美国齿轮制造商协会。本文于2019年10月在密歇根州底特律举行的AGMA秋季技术会议上发表