汽車齒輪鋼彎曲疲勞性能研究

張峰，鄭立新，汪維新

（東風(fēng)商用車技術(shù)中心工藝研究所，湖北 十堰 442001）

摘要：采用自行設(shè)計(jì)的彎曲疲勞試樣，在831Mpa、868Mpa、906Mpa應(yīng)力水平下對(duì)幾種常用齒輪鋼彎曲疲勞性能進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)分析，量化了表面質(zhì)量、心部硬度對(duì)齒輪鋼彎曲疲勞性能的影響。探索了提高驅(qū)動(dòng)橋齒輪承載能力的技術(shù)途徑。

關(guān)鍵詞：汽車齒輪鋼，彎曲疲勞試樣，彎曲疲勞性能

中圖分類號(hào)：TG142.41       文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Study On The Flexural Fatigue Behavior Of Gear Steel for Automobile

Zhang Feng，Zheng Li Xin，Wang Wei Xin

(Material and Technology Institute of DongFeng Commercial Vehicle Technical Center, Shiyan hubei 442001, China)

Abstracts: The flexural fatigue behavior of the self-designing specimens of several gear steels on the different loads, 831Mpa，868Mpa and 906Mpa was analyzed. The effects of surface quality, matrix hardness on the flexural fatigue perfomance of gear steels have been discussed. The technical approach improving gear carrying capacity was explored.

Key Words: gear steel for automobile, flexural fatigue specimen，flexural fatigue behavior

重型車輛用來傳輸動(dòng)力、驅(qū)動(dòng)重型車輛前進(jìn)的驅(qū)動(dòng)橋齒輪在工作狀態(tài)下承受較大的脈動(dòng)彎曲載荷和沖擊彎曲載荷，易造成輪齒彎曲疲勞斷裂或過載斷裂；而齒面間的脈動(dòng)正壓力和相對(duì)滑動(dòng)則可能導(dǎo)致齒輪的接觸疲勞損傷^[1]。目前我國(guó)重型工程車超載現(xiàn)象較為嚴(yán)重，過載是導(dǎo)致重型工程車驅(qū)動(dòng)橋齒輪早期失效的主要原因。

現(xiàn)有的驅(qū)動(dòng)橋齒輪承載能力和可靠性，一般采用驅(qū)動(dòng)橋總成臺(tái)架試驗(yàn)，它能反映驅(qū)動(dòng)橋總成在額定載荷下的整體性能，無法考察在更高載荷下的疲勞性能——即齒輪的抗過載能力。受齒輪支撐剛度和關(guān)聯(lián)零件，如軸承、止推片、十字軸等零件性能的限制，采用驅(qū)動(dòng)橋總成進(jìn)行超載條件下的齒輪臺(tái)架運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，常常由于齒輪支撐剛度不足或關(guān)聯(lián)件的損壞，不能順利進(jìn)行，也就不能正確反映齒輪本身的可靠性和抗過載能力。

單齒彎曲疲勞試驗(yàn)是另一種考核齒輪疲勞性能常用的試驗(yàn)方法，特別適合在圓柱直齒輪上運(yùn)用，但對(duì)于驅(qū)動(dòng)橋所用的錐齒輪而言，受加載方式的限制，難以實(shí)現(xiàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、試樣加工較難保證，不適宜大批量試驗(yàn)。

為了研究材料和工藝因素對(duì)驅(qū)動(dòng)橋錐齒輪在高載荷區(qū)的彎曲疲勞壽命的影響，探索考核和提高驅(qū)動(dòng)橋錐齒輪的承載能力的方法和途徑，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種新的彎曲疲勞試樣及試驗(yàn)方法，并采用不同品種齒輪鋼及加工工藝，進(jìn)行了系列試驗(yàn)。

1. 試驗(yàn)方法  

1.1 試樣的設(shè)計(jì)與制備

彎曲疲勞試驗(yàn)所用試樣如圖1所示。試樣的形狀和尺寸能模擬輪齒根部彎曲疲勞的特性，保證獲得與齒輪齒根圓角相同的滲碳淬火后的滲層冶金技術(shù)特性、殘余應(yīng)力狀態(tài)和齒輪心部硬度。

圖1 彎曲疲勞試樣

試驗(yàn)材料為SCM822H、SCM420H、20CrMnTiH2、20CrMnTiH3、20CrMnTiH4五種常用的齒輪材料。材料的冶金技術(shù)質(zhì)量指標(biāo)見表1、表2。

表1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分

表2 試驗(yàn)材料末端淬透性、晶粒度

試樣的制備，采用與現(xiàn)生產(chǎn)齒輪相同的工藝流程：下料—鍛造成型—等溫正火—機(jī)加工成型—清洗—預(yù)氧化—滲碳淬火、回火—（清理噴丸/強(qiáng)力噴丸）。試樣的滲碳熱處理與現(xiàn)生產(chǎn)齒輪并線生產(chǎn)，有效硬化層度要求1.6-2.0mm。

第一批試樣的制備采用20CrMnTiH3，滲碳后表面經(jīng)清理噴丸處理，部分試樣的圓角處有明顯接刀痕。該批試樣主要是模擬了現(xiàn)生產(chǎn)工藝條件。

第二批試樣的制備采用了上述所有材料，試樣加工時(shí)，要求試樣圓角及其相關(guān)平面一次模削成形，避免在圓角部位出現(xiàn)明顯的接刀痕。由于清理噴丸使試樣圓角部位的噴丸強(qiáng)度和覆蓋率不確定性提高，因此為了降低數(shù)據(jù)散差，本批試樣未進(jìn)行清理噴丸。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與加載方式

試驗(yàn)在型號(hào)為250HFP5100高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用四點(diǎn)彎曲加載方式（見圖2），諧振頻率約73HZ。

圖2 試驗(yàn)裝置及加載方式

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 試樣表面加工質(zhì)量對(duì)彎曲疲勞壽命的影響

該批20CrMnTiH3清理噴丸彎曲試樣中有部分在過渡圓角處留有肉眼可見的加工接刀痕，模擬了主、被動(dòng)齒輪粗切和精切工序在齒根部位留下的接刀痕或粗切刀痕。其彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果見圖3。受圓角加工質(zhì)量、清理噴丸本身在噴丸強(qiáng)度和覆蓋率方面的不確定性等因素的影響，本組試樣的疲勞壽命散差比較大。同一應(yīng)力水平下，圓角有明顯可見接刀痕的試樣疲勞壽命均低于10⁵次，而圓角無明顯接刀痕的試樣疲勞壽命均大于10⁵次，甚至有的達(dá)到10⁷次，相同應(yīng)力載荷下的試樣疲勞壽命差異也有3個(gè)數(shù)量級(jí)，試樣的疲勞裂紋均起源于刀痕處或接刀痕處，見圖4、圖5。

齒輪工作時(shí)，輪齒相當(dāng)于一段懸臂粱，一經(jīng)受力，其齒根的一邊受拉伸、另一邊受壓縮，在齒根的圓角彎曲應(yīng)力最大，因此此處對(duì)試樣表面質(zhì)量最敏感。若表面存在明顯的接刀痕時(shí)，或者齒輪表面加工質(zhì)量差，也就相當(dāng)于在齒輪表面預(yù)制了一個(gè)裂紋源，由于裂紋處應(yīng)力集中，會(huì)加速裂紋的擴(kuò)展，也就會(huì)很大程度上降低了齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度和壽命。

圖3 20CrMnTiH3試樣清理噴丸后的彎曲疲勞壽命分布

圖5 疲勞裂紋起源于接刀痕

2.2不同齒輪材料彎曲疲勞強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

五種齒輪材料在三個(gè)不同應(yīng)力載荷下的彎曲疲勞壽命分布見圖6。當(dāng)彎曲應(yīng)力水平達(dá)到868Mpa和906MPa時(shí)，五種材料的滲碳試樣彎曲疲勞壽命相當(dāng)，在7.0×104～1.5×105次之間，壽命均較低，其疲勞壽命的高低一定程度上反映了齒輪抵抗疲勞裂紋的形成和擴(kuò)展的能力和速度，從上述材料的疲勞壽命來看，高載荷下的滲碳淬火齒輪疲勞壽命只取決于裂紋形成速度，也就是說當(dāng)疲勞裂紋一旦形成，裂紋擴(kuò)展速度非?？?，所以三個(gè)鋼種的差異對(duì)滲碳淬火齒輪的彎曲疲勞壽命的影響不明顯；當(dāng)彎曲應(yīng)力水平降為831MPa時(shí)，SCM822H、SCM420H、20CrMnTiH4三種材料滲碳淬火齒輪的彎曲疲勞壽命大幅提高，當(dāng)裂紋形成后，裂紋擴(kuò)展的速度也就會(huì)明顯降低，與材料本身的特性就息息相關(guān)了。

    圖6 五種材料試樣的彎曲疲勞壽命分布

2.4 不同心部硬度彎曲疲勞對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

由于材料的淬透性不同，使其具有不同的心部硬度。圖7是在相同試驗(yàn)條件下，淬透性不同的20CrMnTiH子鋼號(hào)20CrMnTiH2、20CrMnTiH3、20CrMnTiH4試樣的彎曲疲勞壽命。這三種材料對(duì)應(yīng)的心部硬度分別為：34HRC、32.5HRC、38HRC。在相同應(yīng)力水平下，心部硬度為38HRC的20CrMnTiH4材料疲勞壽命最高，20CrMnTiH2的次之，20CrMnTiH3的疲勞壽命最低。

齒輪在傳送動(dòng)力的過程中要承受很大的交變彎曲應(yīng)力的作用，提高其彎曲疲勞強(qiáng)度的基本途徑是提高材料的強(qiáng)度(硬度)和表面殘余應(yīng)力。 文獻(xiàn)^[2]指出，較低的心部硬度會(huì)降低齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度，而過高的心部硬度又會(huì)使齒輪在過載負(fù)荷的沖擊下脆性折斷。在規(guī)定范圍內(nèi)提高齒輪的心部硬度，對(duì)提高齒輪彎曲疲勞性能非常有利。心部硬度與材料的淬透性密切相關(guān)，淬透性能低，熱處理后輪齒的心部硬度低，但若淬透性能過高，又會(huì)影響熱處理變形以及表面殘余應(yīng)力狀態(tài)等，因此選擇合適的心部硬度是提高彎曲疲勞強(qiáng)度的關(guān)鍵，從圖4可以看出，三組不同心部硬度試樣的疲勞壽命隨著心部硬度的增加顯著增加，心部硬度為38HRC的20CrMnTiH4材料疲勞壽命最長(zhǎng)，所以心部硬度對(duì)彎曲疲勞的抗過載能力有很大的影響。

圖7  20CrMnTiH試樣在831Mpa彎曲應(yīng)力作用下心部硬度與疲勞壽命的關(guān)系

4 結(jié)論

用自行設(shè)計(jì)的彎曲疲勞試樣評(píng)價(jià)SCM822H、SCm420H、20CrMnTiH2、20CrMnTiH3、20CrMnTiH4五種齒輪材料的彎曲疲勞特性，得出如下結(jié)論：

1）齒輪表面加工質(zhì)量對(duì)其疲勞壽命有重要影響。圓角過渡粗糙、有明顯加工刀痕的試樣壽命顯著降低，是導(dǎo)致齒輪早期失效的重要原因。

2）在831MPa 彎曲應(yīng)力下，20CrMnTiH4 齒輪材料的彎曲疲勞壽命遠(yuǎn)高于其它四種齒輪材料，但在868MPa 以上，五種牌號(hào)的彎曲疲勞壽命均相當(dāng)，且壽命顯著降低。

3）心部硬度較高對(duì)提高齒輪的過載能力有很大的作用。采用更高淬透性的材料對(duì)提高驅(qū)動(dòng)橋齒輪承載能力有利。

4）表面噴丸強(qiáng)化處理能顯著改善齒輪的疲勞性能，即使是清理噴丸，對(duì)提高齒輪彎曲疲勞壽命有顯著的影響。提高驅(qū)動(dòng)橋齒輪承載能力，噴丸強(qiáng)化工藝勢(shì)在必行。