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齿轮弯曲疲劳强度试验方法(GB/T14230-93)

Tags: R系列斜齿轮硬齿面减速机    发布时间: 2014-05-27
1主题内容与适用范围
本标准规定了测定渐开线直齿圆柱齿轮轮齿弯曲疲劳强度的试验方法,以确定齿轮弯曲承载能力所需的基础数据。
本标准适用于钢、铸铁制造的渐开线直齿圆柱齿轮在载荷作用造成轮齿弯曲疲劳失效的试验,其它金属齿轮的弯曲疲劳强度试验可参照使用。
2引用标准
GB1356渐开线圆柱齿轮基本齿廓
GB3480渐开线圆柱齿轮承载能力计算方法
GB8539齿轮材料及热处理质量检验的一般规定
GB10095渐开线圆柱齿轮精度
ZB J17 003工业齿轮润滑油选用方法
3主要代号
本标准中主要代号、意义及单位见表1。
表1
代号
意义
单位
b
 
C
C′
dE
E
Fmax
Fmin
Ft
hFE
hFe
k
KA
KFa
KV
m
 
m′
N0
NL
n
 
R
RE
Rz
r
rF
γE
γe
S
T
T2
T1max
x
YF
YFE
YRrelT
YS­
YSE
YST
YX­
YδrelT
Yβ
Z
αE
αe
αF
αFE
β
η
μlnN
μN
σb
σF
σF
σFlim
σlnN
σN
齿宽
威布尔分布函安息的尺度参数
S-N曲线方程常数
修正后的S-N曲线方程常数
脉动试验载荷作用点的直径
脉动试验载荷作用点
脉动试验载荷最大值
脉动试验载荷最小值
端面内分度圆周上的名义切向力
载荷作用于E点弯曲力臂
载荷作用于单对齿啮合区上界点时的弯曲力臂
威布尔分布函数的形状参数
使用系数
弯曲疲劳计算的齿间载荷分配系数
弯曲疲劳计算的齿向载荷分配系数
动载系数
齿轮模数
S-N曲线方程指数
修正后的S-N曲线方程指数
齿根应力循环基数
齿根应力循环次数
试验点总数
B法试验夹具跨齿数
可靠度
载荷力作用点E的向径
微观不平度十点高度
试验有越出点时的失效试验点数
循环特性系数
载荷作用点E处的齿厚半角
上界点处的齿厚半角
应力
实测试验齿轮箱输入转矩平均值
实测试验齿轮箱输出转矩平均值
实测试验齿轮箱输入转矩最大值
径向变位系数
载荷作用于单对齿啮合区上界点时的齿形系数
载荷作用于E点时齿形系数
相对齿根表面状况系数
载荷作用于单对齿啮合上界点时的应力修正系数
载荷作用于E点时的应力修正系数
齿轮的应力修正系数
计算弯曲强度的尺寸系数
相对齿根圆角敏感系数
计算弯曲强度的螺旋角系数
齿数
载荷作用E点外的压力角
上界点处的压力角
单对齿啮合区上界点处的载荷作用点
载荷作用点E外的载荷作用角
螺旋角
试验齿轮箱效率
对数正态公布函数母体对数平均值
抗拉强度
试验齿轮齿根应力
循环特性系数r≠0时的齿根应力
GB3480的试验齿轮弯曲疲劳极限
对数正态分布函数母体对数标准差
正态分布函数母体标准差
mm
 
 
 
mm
 
N
N
N
mm
mm
 
 
 
 
 
mm
 
 
 
 
 
 
mm
μm
 
 
(°)、rad
(°)、rad
N/mm2
N·m
N·m
N·m
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
(°)、rad
(°)、rad
(°)、rad
(°)、rad
(°)、rad
%
 
 
N/mm2
N/mm2
N/mm2
N/mm2
4试验方法
确定齿轮弯曲疲劳强度应采用齿轮台架运转试验(简称“A试验法”),也可采用齿轮轮齿脉动加载试验(简称“B试验法”)。当A试验法与B试验法结果不同时,以A试验法结果为准。
4.1A试验法
将试验齿轮副安装在齿轮试验机上进行负荷运转试验,直至轮齿出现弯曲疲劳失效或齿根应力循环次数达到规定的循环基数N。而未失效时(以下科称“越出”),试验终止并获得轮齿在试验应力下的一个寿命数据,当试验齿轮及试验过程均无异常时,通常将该数据称为“试验点”。
4.2 B试验法
在脉动疲劳试验机上利用专门的夹具,对试验齿轮的轮齿进行脉动加载,直至轮齿出现弯曲疲劳失效或越出,试验终止并获得轮齿在试验应力下的一个寿命数据。试验中,脉搏动载荷仅施加在试验轮齿上,试验齿轮不作啮合运转。所选取的试验轮齿,与加过载荷的轮齿(包括支承齿)至少应间隔一个轮齿。每个试验齿轮可得若干试验点。
4.3试验点的组合
根据不同的试验目的,按下列不同的试验点组合测定试验齿轮弯曲疲劳特性曲线及弯曲疲劳极限应力。
4.3.1常规成组法
常规成组法用于测定试验齿验的可靠度-应力-寿命曲线(即R-S-N曲线),求出试验齿轮的弯曲疲劳极限应力。
试验时取4~5个应力级,每个应力级不少于5个试验点(不包括越出点)。最高应力级中的各试验点的弯曲应力循环次数不少于0.5×105,最高应力级与次高应力级的应力间隔为总试验应力范围的40%~50%,随着应力的降低,应力间隔逐渐减小。最低应力级中至少有一个试验点越出。
4.3.2少试验点组合法
少试验点组合法通常用于测定S-N曲线或仅测定极限应力,试验时试验点总数为7~16个。测定S-N曲线时,应力级为4~10个,每个应力级取1~4个试验点。
测定极限应力时,可采用升降法。
采用正交法做对比试验时,每个对比因素应至少有3个试验点。
5试验条件及试验齿轮
5.1齿轮弯曲疲劳强度试验应按下述规定的试验条件和试验齿轮进行(对比试验的研究对象除外),由此可确定试验齿轮的弯曲极限应力σFlim。
5.1.1试验条件
5.1.1.1功率流封闭式试验机
采用A试验法,测定轮齿弯曲疲劳强度时,应使用功率流封闭式结构的试验机,试验机的校验见附录A(补充件)。试验机中心距一般为90~150mm,试验齿轮的线速度为8~16m/s。试验机的精度应不低于试验齿轮所要求的精度,并应具有以下基本功能:
a.断齿时自动停机;
b.有保证齿轮良好润滑的循环喷油系统;
c.有润滑油温度控制装置,回油温度应控制在60℃以下;
d.有循环次数记录装置,其记录误差不大于±0.1%。
5.1.1.2脉动疲劳试验机
采用B试验法测定齿轮弯曲疲劳强度时,应使用脉动疲劳试验机,并根据试验要求及试验齿轮参数设计夹具。试验机的主要技术性能及测定见附录B(补充件),夹具的设计及技术要求见附录C(补充件)。
5.1.1.3润滑油
按ZB J17 003进行润滑油的选择和保养。一般情况下,试验机连续运转三个月,应进行润滑油的取样检查。
5.1.2试验齿轮
5.1.2.1试验齿轮的参数及精度
试验齿轮的模数m=3~5mm,螺旋角β=0°,齿宽b=10~50mm,应力修正系数YST=2.0,齿根圆角参数qs=2.5,齿根圆角粗糙度Rz≤10μm,精度为GB10095的4~7级。
齿廓线与齿根圆弧线必须是圆滑过渡,检查试验齿轮精度并记录其实测数值。检测全部试验齿轮的表面硬度,基节偏差并剔除不合格的试验齿轮。同一组的试验齿轮,其加工设备及加工工艺必须相同。
5.1.2.2试验齿轮的材料及热处理
试验齿轮的材料必须有正式技术文件,其内容包括:材料牌号、冶炼方法、化学成分、热处理状态、晶粒度、机械性能、金相组织和非金属夹杂物等。各项指标均应符号GB8539常规检验的规定。有条件时应对试验齿轮材料进行无损检测。
5.2齿轮弯曲疲劳强度试验也可在试验条件和试验齿轮参数与产品齿轮工况和参数一致或相近的条件下进行。
6弯曲疲劳失效判据
试验中,若出现下列情况之一时,均应判为弯曲失效。
a.轮齿齿根出现可见疲劳裂纹;
b.载荷或频率下降5%~10%;
c.沿齿根断齿。
7试验步骤
7.1试验前准备
7.1.1按5.1条规定试验条件时,应按附录A或附录B的规定对齿轮试验机的性能进行校验。
7.1.2清洗试验齿轮后目测检查齿根过渡圆弧不得有加工刀痕或其它形式的损伤,并对试验齿轮及轮齿进行编号。
7.1.3试验齿轮按试验机的规定或夹具的设计要求进行安装。
7.2预备性试验
预备性试验是为了确定试验的应力级,一般可通过测定一条S-N曲线来估计疲劳区的载荷范围及极限应力,并根据第4.3.1条的要求确定应力级。
7.3试验过程的监控
按所需应力级逐点进行加载试验。试验期间要经常检查试验设备,出现异常应及时排除。准确记录试验点的失效循环寿命,每个试验点均应有完整的试验记录。记录表见坠毁录E(参考件)。
保留试验齿轮及断齿,以备进行失效分析。
7.4补充试验点
同一应力级的试验点做完后应进行分布检验[见附录D(补充件)]若分布函数的线性相关系数不能满足最小值要求时,需补充试验点。
7.5失效分析
8试验齿轮齿根应力计算
8.1A试验法
A试验法,其试验齿轮的齿根应力按式(1)计算:
式中各代号的意义及取值见GB3480第2.2.2~2.2.3条。
8.2B试验法
首先确定载荷作用点E的准确位置,其方法见附录C(补充件),试验齿轮的齿根应力应根据已确定的E点位置,按式(2)计算:
式中:YFE——载荷作用下E点时间的齿形系数;
      YSE——载荷作用于E点时的应力修正系数;
其余代号的意义及取值均按GB3480第2.2.2~2.2.3条;
YFE、YSE按GB3480给出的公式计算,公式中的αe、γe、αFe、hFe分别用αE、γE、αFE、hFE代入。
注:公式(1)和(2)计算的齿根弯曲应力已将试验条件及试验齿轮转换成GB3480所要求的标准状态。
8.3计算轮齿弯曲静强度时,齿根应力仍按(1)式或(2)式计算,但此时应取YRrelTj=1.0;YXj=1.0;YδrelTj则由GB3480表24所列公式计算或通过实测得到。
对结构钢和调质钢、球墨铸铁、珠光体可锻铸铁,当NL≤104(其它材料NL≤103)时,其应力可视为静应力。
8.4由于试验机的限制,B试验法中,循环特性系数rF=Fmin/Fmax≠0,应将实际齿根应力σF′抽象算为rF=0时的脉动循环齿根应力σF,N/mm2,换算公式为:
式中:σb——抗拉强度,N/mm2
循环特性系数r在试验期间为一常数且≤0.05。
9试验数据的统计处理
9.1当试验点总数为n的应力级无越出点时,其寿命值排序为:
NL1≤NL2≤…≤NLn-1≤NLn
当试验点总数为n的应力级有越出点,且失效的试验点数为r时,其寿命值的排序为:
NL1≤NL2≤…≤NLr-1≤NLr
则对于某一寿命值NLi的寿命经验分布函数值为:
式中:n——试验点总数;
      i——试验点按寿命由小到大排列的序号,当无越出点时,当有越出点时。
9.2 B试验还需中,若采用双齿加载形式,其失效顺序用平均顺序法计算,当对P对轮齿加载时,有r个齿失效(r≤P)。取n=2P,寿命经验分布函数值应按下列度算:
式中:n——试验轮齿总数;n=2p
      Ai——试验点按寿命值由小到大排列的平均顺序。
式中i——失效果试验点单独排序。
9.3在未知试验齿轮的寿命分布函数时,一般采用正态分布,对数正态分布或二参数威布尔分布进行分布检验,确定分布类型,三种分布函数分别为:
式中:NL——齿根应力循环次数;
      μN——正态分布函数母体平均值;
      σN——正态分布函数母体标准差;
      μlnN——对数正态分布函数母体对数平均值;
      σlnN——对数正态分布函数母体对数标准差;
      b——威布尔分布函数的尺度参数;
      k——威布尔分布函数的形状参数。
9.4分布函数曲线的拟合及R-S-N曲线参数的确定见附录D(补充件)。
10试验报告
试验报告应包括:
a.试验目的及要求;
b.试验方法
c.试验条件及试验齿轮;
d.试验原始数据;
e.试验数据的处理结果;
f.损伤分析;
g.试验单位、报告人、审核人、日期。
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