1主題內(nèi)容與適用范圍
本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了測定漸開線直齒圓柱齒輪輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度的試驗(yàn)方法，以確定齒輪彎曲承載能力所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
本標(biāo)準(zhǔn)適用于鋼、鑄鐵制造的漸開線直齒圓柱齒輪在載荷作用造成輪齒彎曲疲勞失效的試驗(yàn)，其它金屬齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)可參照使用。
2引用標(biāo)準(zhǔn)
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(jì)算方法
GB8539齒輪材料及熱處理質(zhì)量檢驗(yàn)的一般規(guī)定
GB10095漸開線圓柱齒輪精度
ZB J17 003工業(yè)齒輪潤滑油選用方法
3主要代號(hào)
本標(biāo)準(zhǔn)中主要代號(hào)、意義及單位見表1。
表1
|
代號(hào) |
意義 |
單位 |
|
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
T1
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 |
齒寬
威布爾分布函安息的尺度參數(shù)
S-N曲線方程常數(shù)
修正后的S-N曲線方程常數(shù)
脈動(dòng)試驗(yàn)載荷作用點(diǎn)的直徑
脈動(dòng)試驗(yàn)載荷作用點(diǎn)
脈動(dòng)試驗(yàn)載荷最大值
脈動(dòng)試驗(yàn)載荷最小值
端面內(nèi)分度圓周上的名義切向力
載荷作用于E點(diǎn)彎曲力臂
載荷作用于單對齒嚙合區(qū)上界點(diǎn)時(shí)的彎曲力臂
威布爾分布函數(shù)的形狀參數(shù)
使用系數(shù)
彎曲疲勞計(jì)算的齒間載荷分配系數(shù)
彎曲疲勞計(jì)算的齒向載荷分配系數(shù)
動(dòng)載系數(shù)
齒輪模數(shù)
S-N曲線方程指數(shù)
修正后的S-N曲線方程指數(shù)
齒根應(yīng)力循環(huán)基數(shù)
齒根應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
試驗(yàn)點(diǎn)總數(shù)
B法試驗(yàn)夾具跨齒數(shù)
可靠度
載荷力作用點(diǎn)E的向徑
微觀不平度十點(diǎn)高度
試驗(yàn)有越出點(diǎn)時(shí)的失效試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)
循環(huán)特性系數(shù)
載荷作用點(diǎn)E處的齒厚半角
上界點(diǎn)處的齒厚半角
應(yīng)力
實(shí)測試驗(yàn)齒輪箱輸入轉(zhuǎn)矩平均值
實(shí)測試驗(yàn)齒輪箱輸出轉(zhuǎn)矩平均值
實(shí)測試驗(yàn)齒輪箱輸入轉(zhuǎn)矩最大值
徑向變位系數(shù)
載荷作用于單對齒嚙合區(qū)上界點(diǎn)時(shí)的齒形系數(shù)
載荷作用于E點(diǎn)時(shí)齒形系數(shù)
相對齒根表面狀況系數(shù)
載荷作用于單對齒嚙合上界點(diǎn)時(shí)的應(yīng)力修正系數(shù)
載荷作用于E點(diǎn)時(shí)的應(yīng)力修正系數(shù)
齒輪的應(yīng)力修正系數(shù)
計(jì)算彎曲強(qiáng)度的尺寸系數(shù)
相對齒根圓角敏感系數(shù)
計(jì)算彎曲強(qiáng)度的螺旋角系數(shù)
齒數(shù)
載荷作用E點(diǎn)外的壓力角
上界點(diǎn)處的壓力角
單對齒嚙合區(qū)上界點(diǎn)處的載荷作用點(diǎn)
載荷作用點(diǎn)E外的載荷作用角
螺旋角
試驗(yàn)齒輪箱效率
對數(shù)正態(tài)公布函數(shù)母體對數(shù)平均值
抗拉強(qiáng)度
試驗(yàn)齒輪齒根應(yīng)力
循環(huán)特性系數(shù)r≠0時(shí)的齒根應(yīng)力
GB3480的試驗(yàn)齒輪彎曲疲勞極限
對數(shù)正態(tài)分布函數(shù)母體對數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差
正態(tài)分布函數(shù)母體標(biāo)準(zhǔn)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試驗(yàn)方法
確定齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度應(yīng)采用齒輪臺(tái)架運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)（簡稱“A試驗(yàn)法”），也可采用齒輪輪齒脈動(dòng)加載試驗(yàn)（簡稱“B試驗(yàn)法”）。當(dāng)A試驗(yàn)法與B試驗(yàn)法結(jié)果不同時(shí)，以A試驗(yàn)法結(jié)果為準(zhǔn)。
4.1A試驗(yàn)法
將試驗(yàn)齒輪副安裝在齒輪試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，直至輪齒出現(xiàn)彎曲疲勞失效或齒根應(yīng)力循環(huán)次數(shù)達(dá)到規(guī)定的循環(huán)基數(shù)N。而未失效時(shí)（以下科稱“越出”），試驗(yàn)終止并獲得輪齒在試驗(yàn)應(yīng)力下的一個(gè)壽命數(shù)據(jù)，當(dāng)試驗(yàn)齒輪及試驗(yàn)過程均無異常時(shí)，通常將該數(shù)據(jù)稱為“試驗(yàn)點(diǎn)”。
4.2 B試驗(yàn)法
在脈動(dòng)疲勞試驗(yàn)機(jī)上利用專門的夾具，對試驗(yàn)齒輪的輪齒進(jìn)行脈動(dòng)加載，直至輪齒出現(xiàn)彎曲疲勞失效或越出，試驗(yàn)終止并獲得輪齒在試驗(yàn)應(yīng)力下的一個(gè)壽命數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中，脈搏動(dòng)載荷僅施加在試驗(yàn)輪齒上，試驗(yàn)齒輪不作嚙合運(yùn)轉(zhuǎn)。所選取的試驗(yàn)輪齒，與加過載荷的輪齒（包括支承齒）至少應(yīng)間隔一個(gè)輪齒。每個(gè)試驗(yàn)齒輪可得若干試驗(yàn)點(diǎn)。
4.3試驗(yàn)點(diǎn)的組合
根據(jù)不同的試驗(yàn)?zāi)康模聪铝胁煌脑囼?yàn)點(diǎn)組合測定試驗(yàn)齒輪彎曲疲勞特性曲線及彎曲疲勞極限應(yīng)力。
4.3.1常規(guī)成組法
常規(guī)成組法用于測定試驗(yàn)齒驗(yàn)的可靠度-應(yīng)力-壽命曲線（即R-S-N曲線），求出試驗(yàn)齒輪的彎曲疲勞極限應(yīng)力。
試驗(yàn)時(shí)取4～5個(gè)應(yīng)力級(jí)，每個(gè)應(yīng)力級(jí)不少于5個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)（不包括越出點(diǎn)）。最高應(yīng)力級(jí)中的各試驗(yàn)點(diǎn)的彎曲應(yīng)力循環(huán)次數(shù)不少于0.5×105，最高應(yīng)力級(jí)與次高應(yīng)力級(jí)的應(yīng)力間隔為總試驗(yàn)應(yīng)力范圍的40%～50%，隨著應(yīng)力的降低，應(yīng)力間隔逐漸減小。最低應(yīng)力級(jí)中至少有一個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)越出。
4.3.2少試驗(yàn)點(diǎn)組合法
少試驗(yàn)點(diǎn)組合法通常用于測定S-N曲線或僅測定極限應(yīng)力，試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)點(diǎn)總數(shù)為7～16個(gè)。測定S-N曲線時(shí)，應(yīng)力級(jí)為4～10個(gè)，每個(gè)應(yīng)力級(jí)取1～4個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)。
測定極限應(yīng)力時(shí)，可采用升降法。
采用正交法做對比試驗(yàn)時(shí)，每個(gè)對比因素應(yīng)至少有3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)。
5試驗(yàn)條件及試驗(yàn)齒輪
5.1齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)應(yīng)按下述規(guī)定的試驗(yàn)條件和試驗(yàn)齒輪進(jìn)行（對比試驗(yàn)的研究對象除外），由此可確定試驗(yàn)齒輪的彎曲極限應(yīng)力σFlim。
5.1.1試驗(yàn)條件
5.1.1.1功率流封閉式試驗(yàn)機(jī)
采用A試驗(yàn)法，測定輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)使用功率流封閉式結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)機(jī)的校驗(yàn)見附錄A（補(bǔ)充件）。試驗(yàn)機(jī)中心距一般為90～150mm，試驗(yàn)齒輪的線速度為8～16m/s。試驗(yàn)機(jī)的精度應(yīng)不低于試驗(yàn)齒輪所要求的精度，并應(yīng)具有以下基本功能：
a.斷齒時(shí)自動(dòng)停機(jī)；
b.有保證齒輪良好潤滑的循環(huán)噴油系統(tǒng)；
c.有潤滑油溫度控制裝置，回油溫度應(yīng)控制在60℃以下；
d.有循環(huán)次數(shù)記錄裝置，其記錄誤差不大于±0.1%。
5.1.1.2脈動(dòng)疲勞試驗(yàn)機(jī)
采用B試驗(yàn)法測定齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)使用脈動(dòng)疲勞試驗(yàn)機(jī)，并根據(jù)試驗(yàn)要求及試驗(yàn)齒輪參數(shù)設(shè)計(jì)夾具。試驗(yàn)機(jī)的主要技術(shù)性能及測定見附錄B（補(bǔ)充件），夾具的設(shè)計(jì)及技術(shù)要求見附錄C（補(bǔ)充件）。
5.1.1.3潤滑油
按ZB J17 003進(jìn)行潤滑油的選擇和保養(yǎng)。一般情況下，試驗(yàn)機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)三個(gè)月，應(yīng)進(jìn)行潤滑油的取樣檢查。
5.1.2試驗(yàn)齒輪
5.1.2.1試驗(yàn)齒輪的參數(shù)及精度
試驗(yàn)齒輪的模數(shù)m=3～5mm，螺旋角β=0°，齒寬b=10～50mm，應(yīng)力修正系數(shù)YST=2.0，齒根圓角參數(shù)qs=2.5，齒根圓角粗糙度Rz≤10μm，精度為GB10095的4～7級(jí)。
齒廓線與齒根圓弧線必須是圓滑過渡，檢查試驗(yàn)齒輪精度并記錄其實(shí)測數(shù)值。檢測全部試驗(yàn)齒輪的表面硬度，基節(jié)偏差并剔除不合格的試驗(yàn)齒輪。同一組的試驗(yàn)齒輪，其加工設(shè)備及加工工藝必須相同。
5.1.2.2試驗(yàn)齒輪的材料及熱處理
試驗(yàn)齒輪的材料必須有正式技術(shù)文件，其內(nèi)容包括：材料牌號(hào)、冶煉方法、化學(xué)成分、熱處理狀態(tài)、晶粒度、機(jī)械性能、金相組織和非金屬夾雜物等。各項(xiàng)指標(biāo)均應(yīng)符號(hào)GB8539常規(guī)檢驗(yàn)的規(guī)定。有條件時(shí)應(yīng)對試驗(yàn)齒輪材料進(jìn)行無損檢測。
5.2齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)也可在試驗(yàn)條件和試驗(yàn)齒輪參數(shù)與產(chǎn)品齒輪工況和參數(shù)一致或相近的條件下進(jìn)行。
6彎曲疲勞失效判據(jù)
試驗(yàn)中，若出現(xiàn)下列情況之一時(shí)，均應(yīng)判為彎曲失效。
a.輪齒齒根出現(xiàn)可見疲勞裂紋；
b.載荷或頻率下降5%～10%；
c.沿齒根斷齒。
7試驗(yàn)步驟
7.1試驗(yàn)前準(zhǔn)備
7.1.1按5.1條規(guī)定試驗(yàn)條件時(shí)，應(yīng)按附錄A或附錄B的規(guī)定對齒輪試驗(yàn)機(jī)的性能進(jìn)行校驗(yàn)。
7.1.2清洗試驗(yàn)齒輪后目測檢查齒根過渡圓弧不得有加工刀痕或其它形式的損傷，并對試驗(yàn)齒輪及輪齒進(jìn)行編號(hào)。
7.1.3試驗(yàn)齒輪按試驗(yàn)機(jī)的規(guī)定或夾具的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行安裝。
7.2預(yù)備性試驗(yàn)
預(yù)備性試驗(yàn)是為了確定試驗(yàn)的應(yīng)力級(jí)，一般可通過測定一條S-N曲線來估計(jì)疲勞區(qū)的載荷范圍及極限應(yīng)力，并根據(jù)第4.3.1條的要求確定應(yīng)力級(jí)。
7.3試驗(yàn)過程的監(jiān)控
按所需應(yīng)力級(jí)逐點(diǎn)進(jìn)行加載試驗(yàn)。試驗(yàn)期間要經(jīng)常檢查試驗(yàn)設(shè)備，出現(xiàn)異常應(yīng)及時(shí)排除。準(zhǔn)確記錄試驗(yàn)點(diǎn)的失效循環(huán)壽命，每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)均應(yīng)有完整的試驗(yàn)記錄。記錄表見墜毀錄E（參考件）。
保留試驗(yàn)齒輪及斷齒，以備進(jìn)行失效分析。
7.4補(bǔ)充試驗(yàn)點(diǎn)
同一應(yīng)力級(jí)的試驗(yàn)點(diǎn)做完后應(yīng)進(jìn)行分布檢驗(yàn)[見附錄D（補(bǔ)充件）]若分布函數(shù)的線性相關(guān)系數(shù)不能滿足最小值要求時(shí)，需補(bǔ)充試驗(yàn)點(diǎn)。
7.5失效分析
8試驗(yàn)齒輪齒根應(yīng)力計(jì)算
8.1A試驗(yàn)法
A試驗(yàn)法，其試驗(yàn)齒輪的齒根應(yīng)力按式（1）計(jì)算：
式中各代號(hào)的意義及取值見GB3480第2.2.2～2.2.3條。
8.2B試驗(yàn)法
首先確定載荷作用點(diǎn)E的準(zhǔn)確位置，其方法見附錄C（補(bǔ)充件），試驗(yàn)齒輪的齒根應(yīng)力應(yīng)根據(jù)已確定的E點(diǎn)位置，按式（2）計(jì)算：
式中：YFE——載荷作用下E點(diǎn)時(shí)間的齒形系數(shù)；
YSE——載荷作用于E點(diǎn)時(shí)的應(yīng)力修正系數(shù)；
其余代號(hào)的意義及取值均按GB3480第2.2.2～2.2.3條；
YFE、YSE按GB3480給出的公式計(jì)算，公式中的αe、γe、αFe、hFe分別用αE、γE、αFE、hFE代入。
注：公式（1）和（2）計(jì)算的齒根彎曲應(yīng)力已將試驗(yàn)條件及試驗(yàn)齒輪轉(zhuǎn)換成GB3480所要求的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。
8.3計(jì)算輪齒彎曲靜強(qiáng)度時(shí)，齒根應(yīng)力仍按（1）式或（2）式計(jì)算，但此時(shí)應(yīng)取YRrelTj=1.0；YXj=1.0；YδrelTj則由GB3480表24所列公式計(jì)算或通過實(shí)測得到。
對結(jié)構(gòu)鋼和調(diào)質(zhì)鋼、球墨鑄鐵、珠光體可鍛鑄鐵，當(dāng)NL≤104(其它材料NL≤103)時(shí)，其應(yīng)力可視為靜應(yīng)力。
8.4由于試驗(yàn)機(jī)的限制，B試驗(yàn)法中，循環(huán)特性系數(shù)rF=Fmin/Fmax≠0,應(yīng)將實(shí)際齒根應(yīng)力σF′抽象算為rF=0時(shí)的脈動(dòng)循環(huán)齒根應(yīng)力σF，N/mm2,換算公式為：
式中：σb——抗拉強(qiáng)度，N/mm2
循環(huán)特性系數(shù)r在試驗(yàn)期間為一常數(shù)且≤0.05。
9試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理
9.1當(dāng)試驗(yàn)點(diǎn)總數(shù)為n的應(yīng)力級(jí)無越出點(diǎn)時(shí)，其壽命值排序?yàn)椋?/DIV>
NL1≤NL2≤…≤NLn-1≤NLn
當(dāng)試驗(yàn)點(diǎn)總數(shù)為n的應(yīng)力級(jí)有越出點(diǎn)，且失效的試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)為r時(shí)，其壽命值的排序?yàn)椋?/DIV>
NL1≤NL2≤…≤NLr-1≤NLr
則對于某一壽命值NLi的壽命經(jīng)驗(yàn)分布函數(shù)值為：
式中：n——試驗(yàn)點(diǎn)總數(shù)；
i——試驗(yàn)點(diǎn)按壽命由小到大排列的序號(hào)，當(dāng)無越出點(diǎn)時(shí)
，當(dāng)有越出點(diǎn)時(shí)
。
9.2 B試驗(yàn)還需中，若采用雙齒加載形式，其失效順序用平均順序法計(jì)算，當(dāng)對P對輪齒加載時(shí)，有r個(gè)齒失效（r≤P）。取n=2P，壽命經(jīng)驗(yàn)分布函數(shù)值應(yīng)按下列度算：
式中：n——試驗(yàn)輪齒總數(shù)；n=2p
Ai——試驗(yàn)點(diǎn)按壽命值由小到大排列的平均順序。
式中i——失效果試驗(yàn)點(diǎn)單獨(dú)排序
。
9.3在未知試驗(yàn)齒輪的壽命分布函數(shù)時(shí)，一般采用正態(tài)分布，對數(shù)正態(tài)分布或二參數(shù)威布爾分布進(jìn)行分布檢驗(yàn)，確定分布類型，三種分布函數(shù)分別為：
式中：NL——齒根應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；
μN——正態(tài)分布函數(shù)母體平均值；
σN——正態(tài)分布函數(shù)母體標(biāo)準(zhǔn)差；
μlnN——對數(shù)正態(tài)分布函數(shù)母體對數(shù)平均值；
σlnN——對數(shù)正態(tài)分布函數(shù)母體對數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差；
b——威布爾分布函數(shù)的尺度參數(shù)；
k——威布爾分布函數(shù)的形狀參數(shù)。
9.4分布函數(shù)曲線的擬合及R-S-N曲線參數(shù)的確定見附錄D（補(bǔ)充件）。
10試驗(yàn)報(bào)告
試驗(yàn)報(bào)告應(yīng)包括：
a.試驗(yàn)?zāi)康募耙螅?/DIV>
b.試驗(yàn)方法
c.試驗(yàn)條件及試驗(yàn)齒輪；
d.試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)；
e.試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理結(jié)果；
f.損傷分析；
g.試驗(yàn)單位、報(bào)告人、審核人、日期。
