汽車齒輪鋼彎曲疲勞性能研究

張峰，鄭立新，汪維新

（東風商用車技術中心工藝研究所，湖北 十堰 442001）

摘要：采用自行設計的彎曲疲勞試樣，在831Mpa、868Mpa、906Mpa應力水平下對幾種常用齒輪鋼彎曲疲勞性能進行了對比試驗分析，量化了表面質量、心部硬度對齒輪鋼彎曲疲勞性能的影響。探索了提高驅動橋齒輪承載能力的技術途徑。

關鍵詞：汽車齒輪鋼，彎曲疲勞試樣，彎曲疲勞性能

中圖分類號：TG142.41       文獻標識碼：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力、驅動重型車輛前進的驅動橋齒輪在工作狀態下承受較大的脈動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；而齒面間的脈動正壓力和相對滑動則可能導致齒輪的接觸疲勞損傷^[1]。目前我國重型工程車超載現象較為嚴重，過載是導致重型工程車驅動橋齒輪早期失效的主要原因。

現有的驅動橋齒輪承載能力和可靠性，一般采用驅動橋總成臺架試驗，它能反映驅動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聯零件，如軸承、止推片、十字軸等零件性能的限制，采用驅動橋總成進行超載條件下的齒輪臺架運轉試驗，常常由于齒輪支撐剛度不足或關聯件的損壞，不能順利進行，也就不能正確反映齒輪本身的可靠性和抗過載能力。

單齒彎曲疲勞試驗是另一種考核齒輪疲勞性能常用的試驗方法，特別適合在圓柱直齒輪上運用，但對于驅動橋所用的錐齒輪而言，受加載方式的限制，難以實現，試驗數據準確性、試樣加工較難保證，不適宜大批量試驗。

為了研究材料和工藝因素對驅動橋錐齒輪在高載荷區的彎曲疲勞壽命的影響，探索考核和提高驅動橋錐齒輪的承載能力的方法和途徑，我們設計了一種新的彎曲疲勞試樣及試驗方法，并采用不同品種齒輪鋼及加工工藝，進行了系列試驗。

1. 試驗方法  

1.1 試樣的設計與制備

彎曲疲勞試驗所用試樣如圖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特性、殘余應力狀態和齒輪心部硬度。

圖1 彎曲疲勞試樣

試驗材料為SCM822H、SCM420H、20CrMnTiH2、20CrMnTiH3、20CrMnTiH4五種常用的齒輪材料。材料的冶金技術質量指標見表1、表2。

表1 試驗材料的化學成分

材料	C	Mn	Cr	Mo	Ti
SCM822H	0.23	0.82	1.04	0.38	\
SCM420H	0.22	0.83	1.12	0.22	\
20CrMnTiH2	0.22	0.98	1.20	0.016	0.049
20CrMnTiH3	0.20	0.92	1.14	0.011	0.054
20CrMnTiH4	0.20	1.09	1.37	0.018	0.040

 

表2 試驗材料末端淬透性、晶粒度

 

試樣的制備，采用與現生產齒輪相同的工藝流程：下料—鍛造成型—等溫正火—機加工成型—清洗—預氧化—滲碳淬火、回火—（清理噴丸/強力噴丸）。試樣的滲碳熱處理與現生產齒輪并線生產，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生產工藝條件。

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

1.2 試驗設備與加載方式

試驗在型號為250HFP5100高頻疲勞試驗機上進行，采用四點彎曲加載方式（見圖2），諧振頻率約73HZ。

圖2 試驗裝置及加載方式

2 試驗結果與討論

2.1 試樣表面加工質量對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。其彎曲疲勞試驗結果見圖3。受圓角加工質量、清理噴丸本身在噴丸強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，甚至有的達到10⁷次，相同應力載荷下的試樣疲勞壽命差異也有3個數量級，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，輪齒相當于一段懸臂粱，一經受力，其齒根的一邊受拉伸、另一邊受壓縮，在齒根的圓角彎曲應力最大，因此此處對試樣表面質量最敏感。若表面存在明顯的接刀痕時，或者齒輪表面加工質量差，也就相當于在齒輪表面預制了一個裂紋源，由于裂紋處應力集中，會加速裂紋的擴展，也就會很大程度上降低了齒輪的彎曲疲勞強度和壽命。

   

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度對比試驗結果

五種齒輪材料在三個不同應力載荷下的彎曲疲勞壽命分布見圖6。當彎曲應力水平達到868Mpa和906MPa時，五種材料的滲碳試樣彎曲疲勞壽命相當，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，也就是說當疲勞裂紋一旦形成，裂紋擴展速度非常快，所以三個鋼種的差異對滲碳淬火齒輪的彎曲疲勞壽命的影響不明顯；當彎曲應力水平降為831MPa時，SCM822H、SCM420H、20CrMnTiH4三種材料滲碳淬火齒輪的彎曲疲勞壽命大幅提高，當裂紋形成后，裂紋擴展的速度也就會明顯降低，與材料本身的特性就息息相關了。

 

 

    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比試驗結果

由于材料的淬透性不同，使其具有不同的心部硬度。圖7是在相同試驗條件下，淬透性不同的20CrMnTiH子鋼號20CrMnTiH2、20CrMnTiH3、20CrMnTiH4試樣的彎曲疲勞壽命。這三種材料對應的心部硬度分別為：34HRC、32.5HRC、38HRC。在相同應力水平下，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。

齒輪在傳送動力的過程中要承受很大的交變彎曲應力的作用，提高其彎曲疲勞強度的基本途徑是提高材料的強度(硬度)和表面殘余應力。 文獻^[2]指出，較低的心部硬度會降低齒輪的彎曲疲勞強度，而過高的心部硬度又會使齒輪在過載負荷的沖擊下脆性折斷。在規定范圍內提高齒輪的心部硬度，對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，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，又會影響熱處理變形以及表面殘余應力狀態等，因此選擇合適的心部硬度是提高彎曲疲勞強度的關鍵，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，所以心部硬度對彎曲疲勞的抗過載能力有很大的影響。

 

圖7  20CrMnTiH試樣在831Mpa彎曲應力作用下心部硬度與疲勞壽命的關系

 

4 結論

用自行設計的彎曲疲勞試樣評價SCM822H、SCm420H、20CrMnTiH2、20CrMnTiH3、20CrMnTiH4五種齒輪材料的彎曲疲勞特性，得出如下結論：

1）齒輪表面加工質量對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，是導致齒輪早期失效的重要原因。

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

3）心部硬度較高對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提高驅動橋齒輪承載能力有利。

4）表面噴丸強化處理能顯著改善齒輪的疲勞性能，即使是清理噴丸，對提高齒輪彎曲疲勞壽命有顯著的影響。提高驅動橋齒輪承載能力，噴丸強化工藝勢在必行。