原创《喷丸强化对齿轮传动特性的影响》
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秦旭平,吴平安,王 铁
（太原理工大学齿轮研究所,山西 太原 030024）
摘 要：在功率流封闭式齿轮疲劳试验台上,对喷丸强化20CrMnTi渗碳淬火齿轮进行疲劳对比试验.为进一步探索喷丸强化工艺对齿轮的抗疲劳特性及动态特性的影响,采用了分组、改变工况条件等试验方法.试验结果表明,喷丸强化能显著提高齿轮的疲劳强度,其接触疲劳强度可提升14.6%,弯曲疲劳强度提升27.42%；但通过对振动数据分析,发现喷丸强化对齿轮的动态性能有不良影响,喷丸强化使齿轮在传动过程中振动增大.
关键词：齿轮；喷丸强化；疲劳强度；动态特性
中图分类号：TH132.41 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2016.11.061
齿轮传动是最常用的机械传动,齿轮的质量在一定程度上代表了机械系统的技术水平.随着机械工业的迅速发展,对齿轮的传动性能提出了更高的要求[1].近年来,通过对热处理工艺的不断改善以及表面强化技术的运用,硬齿面齿轮的承载能力及寿命得到大幅提高.喷丸工艺作为一种表面强化方法,具有设备简单、成本低廉、生产效率高、强化效果明显等优点,常被应用于硬齿面齿轮加工工艺中.但是,高质量的齿轮传动不只是承载能力高、使用寿命长,还要求其传动平稳、噪声小.本文主要采用对比试验方法研究喷丸强化齿轮的疲劳性能及振动特性.
1 齿轮对比试验
本试验在功率流封闭式齿轮疲劳试验台上,采用快速齿轮疲劳试验方法,即罗卡提（Locati）[2]方法,对相同材料的未喷丸齿轮和喷丸强化齿轮进行接触疲劳试验.试验过程中,采用时域与频域综合方式,全程实时监测扭矩、转速、振动、噪声、油温等变化情况,对齿轮传动状态进行跟踪,并采集相应的数据.
1）试验齿轮为标准渐开线直齿圆柱齿轮,齿轮材料为20CrMnTi合金锻钢；模数m等于3；齿数Z1等于Z2等于50；压力角α等于20°；齿宽b等于29 mm；工作齿宽bH等于8～10 mm；啮合中心距a等于150 mm；01号~10号试验齿轮都经过表面渗碳淬火处理,有效硬化层深度为0.7~1.0 mm,其中编号为01号、05号、06号和08号的试验齿轮为未进行表面喷丸强化,02号、07号、09号和10号试验齿轮经过喷丸强化处理；齿面硬度为58HRC～64HRC；精度等级为6级.
2）试验装置.一是试验台及传感器：试验是在太原理工大学齿轮研究所的电功率流封闭式齿轮试验台上完成.试验时改变输入转速和负载,可获得不同转速和负载工况下齿轮箱的动态数据.转矩转速传感器在线监测齿轮的转速和扭矩；压电式IEPE传感器（1号~8号）、噪声传感器（9号~10号）、温度传感器（11号）和信号采集仪等为动态特性测试采集数据.齿轮箱及传感器布置情况见图1.二是试验齿轮的安装：试验齿轮齿宽29 mm,试验采用图2所示的正反面交错搭接啮合方式.试验齿轮实际接触齿宽8～10 mm.
3）试验载荷.据齿轮接触应力、弯曲应力公式及相关试验资料确定试验载荷σH为1 400 MPa,
1 500 MPa,1 600 MPa,1 700 MPa,1 800 MPa,
1 900 MPa,2 000 MPa,2 100 MPa,2 200 MPa,
2 300 MPa,共十级,在各级试验载荷下,齿轮转速均为1 200 r/min.
4）疲劳点蚀程度失效判据.一是本次试验以任一齿面的点蚀面积率达到4%作为接触疲劳失效依据.二是弯曲疲劳失效判据[3]：试验过程中,载荷或频率突然下降5%~10%,便停机检查,只要试验齿轮齿根处出现可见疲劳裂纹或轮齿发生断裂,则判定该齿轮发生弯曲疲劳失效,立即停止试验.
5）试验方法.疲劳试验之前,首先对装配
好的齿轮进行跑合.跑合载荷分空载、150 N·m,300 N·m三种,对应转速与运转时间为600 r/min,30 min；800 r/min,60 min；800 r/min,60 min.
疲劳试验分为三组,1号轮、5号轮与7号轮、10号轮为第一组；6号轮、8号轮与7´号轮10´号轮为第二组；6´号轮1´号轮与2号轮、9号轮为第三组.每一组试验齿轮都含一副喷丸强化齿轮及一副未喷丸齿轮,同一组齿轮试验载荷及工况条件完全相同.不同组之间,试验载荷及工况条件不完全相同.
2 试验结果与分析
1）疲劳强度对比.三组试验齿轮接触疲劳极限值对比见表1；弯曲疲劳极限值对比见表2.通过表1、表2可知：未喷丸齿轮和喷丸齿轮的接触疲劳强度平均值分别1 589 MPa和1 814 MPa,弯曲疲劳强度平均值分别为642 MPa和818 MPa.喷丸强化工艺能有效提高齿轮疲劳强度.
2）振动信号RMS分析.在机械工程测试中,对随机信号进行时域分析,可以快速分析系统的瞬态和稳态性能. 均方根幅值（RMS）是时域分析中经常用到的幅值参数,其计算公式为
本文以均方根幅值作为统计特征值,描述齿轮传动过程中产生的振动.图3与图4为不同载荷下1号和7号传感器振动信号RMS值随转矩的变化曲线,分析可知,1号和7号传感器振动RMS值随着载荷的增加而增大.在相同载荷下,喷丸齿轮1号传感器振动RMS值高于未喷丸齿轮,随着载荷的增加,差距愈加明显；对于7号传感器,喷丸齿轮和未喷丸齿轮在轴向振动RMS值相差不大,反而未喷丸的RMS值比喷丸处理的略大.这是因为对齿轮进行喷丸强化时,会使轮齿发生塑性变形,齿面粗糙度增大,从而引起径向振动RMS值变大.试验齿轮为直齿轮,正常啮合情况对轴向振动RMS值影响不大,但本次试验齿轮为错齿啮合,齿轮在加载运转时发生变形会向轴向两端挤压,未喷丸齿轮轮齿硬度较小,变形较大,轴向挤压更加严重,与喷丸齿轮相比,其轴向振动RMS值较大.
3 结论
通过试验获得未喷丸齿轮和喷丸齿轮的接触疲劳强度平均值分别1 589 MPa和1 814 MPa,喷丸强化可使齿轮的接触疲劳强度提高14.16%.通过试验获得未喷丸齿轮和喷丸齿轮的弯曲疲劳强度平均值分别为642 MPa和818 MPa,喷丸强化可使齿轮的弯曲疲劳强度提高27.42%.由于喷丸过程中弹丸对齿轮表面的高速撞击,使轮齿发生塑性变形,齿面粗糙度增大,传动过程中振动增大.
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