汽车齿轮钢弯曲疲劳性能研究

汽车齿轮钢弯曲疲劳性能研究

张峰，郑立新，汪维新

（东风商用车技术中心工艺研究所，湖北 十堰 442001）

摘要：采用自行设计的弯曲疲劳试样，在831Mpa、868Mpa、906Mpa应力水平下对几种常用齿轮钢弯曲疲劳性能进行了对比试验分析，量化了表面质量、心部硬度对齿轮钢弯曲疲劳性能的影响。探索了提高驱动桥齿轮承载能力的技术途径。

关键词：汽车齿轮钢，弯曲疲劳试样，弯曲疲劳性能

中图分类号：TG142.41       文献标识码：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

 

重型车辆用来传输动力、驱动重型车辆前进的驱动桥齿轮在工作状态下承受较大的脉动弯曲载荷和冲击弯曲载荷，易造成轮齿弯曲疲劳断裂或过载断裂；而齿面间的脉动正压力和相对滑动则可能导致齿轮的接触疲劳损伤^[1]。目前我国重型工程车超载现象较为严重，过载是导致重型工程车驱动桥齿轮早期失效的主要原因。

现有的驱动桥齿轮承载能力和可靠性，一般采用驱动桥总成台架试验，它能反映驱动桥总成在额定载荷下的整体性能，无法考察在更高载荷下的疲劳性能——即齿轮的抗过载能力。受齿轮支撑刚度和关联零件，如轴承、止推片、十字轴等零件性能的限制，采用驱动桥总成进行超载条件下的齿轮台架运转试验，常常由于齿轮支撑刚度不足或关联件的损坏，不能顺利进行，也就不能正确反映齿轮本身的可靠性和抗过载能力。

单齿弯曲疲劳试验是另一种考核齿轮疲劳性能常用的试验方法，特别适合在圆柱直齿轮上运用，但对于驱动桥所用的锥齿轮而言，受加载方式的限制，难以实现，试验数据准确性、试样加工较难保证，不适宜大批量试验。

为了研究材料和工艺因素对驱动桥锥齿轮在高载荷区的弯曲疲劳寿命的影响，探索考核和提高驱动桥锥齿轮的承载能力的方法和途径，我们设计了一种新的弯曲疲劳试样及试验方法，并采用不同品种齿轮钢及加工工艺，进行了系列试验。

1. 试验方法  

1.1 试样的设计与制备

弯曲疲劳试验所用试样如图1所示。试样的形状和尺寸能模拟轮齿根部弯曲疲劳的特性，保证获得与齿轮齿根圆角相同的渗碳淬火后的渗层冶金技术特性、残余应力状态和齿轮心部硬度。

图1 弯曲疲劳试样

试验材料为SCM822H、SCM420H、20CrMnTiH2、20CrMnTiH3、20CrMnTiH4五种常用的齿轮材料。材料的冶金技术质量指标见表1、表2。

表1 试验材料的化学成分

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 试验材料末端淬透性、晶粒度

 

试样的制备，采用与现生产齿轮相同的工艺流程：下料—锻造成型—等温正火—机加工成型—清洗—预氧化—渗碳淬火、回火—（清理喷丸/强力喷丸）。试样的渗碳热处理与现生产齿轮并线生产，有效硬化层度要求1.6-2.0mm。

第一批试样的制备采用20CrMnTiH3，渗碳后表面经清理喷丸处理，部分试样的圆角处有明显接刀痕。该批试样主要是模拟了现生产工艺条件。

第二批试样的制备采用了上述所有材料，试样加工时，要求试样圆角及其相关平面一次模削成形，避免在圆角部位出现明显的接刀痕。由于清理喷丸使试样圆角部位的喷丸强度和覆盖率不确定性提高，因此为了降低数据散差，本批试样未进行清理喷丸。

1.2 试验设备与加载方式

试验在型号为250HFP5100高频疲劳试验机上进行，采用四点弯曲加载方式（见图2），谐振频率约73HZ。

图2 试验装置及加载方式

2 试验结果与讨论

2.1 试样表面加工质量对弯曲疲劳寿命的影响

该批20CrMnTiH3清理喷丸弯曲试样中有部分在过渡圆角处留有肉眼可见的加工接刀痕，模拟了主、被动齿轮粗切和精切工序在齿根部位留下的接刀痕或粗切刀痕。其弯曲疲劳试验结果见图3。受圆角加工质量、清理喷丸本身在喷丸强度和覆盖率方面的不确定性等因素的影响，本组试样的疲劳寿命散差比较大。同一应力水平下，圆角有明显可见接刀痕的试样疲劳寿命均低于10⁵次，而圆角无明显接刀痕的试样疲劳寿命均大于10⁵次，甚至有的达到10⁷次，相同应力载荷下的试样疲劳寿命差异也有3个数量级，试样的疲劳裂纹均起源于刀痕处或接刀痕处，见图4、图5。

齿轮工作时，轮齿相当于一段悬臂粱，一经受力，其齿根的一边受拉伸、另一边受压缩，在齿根的圆角弯曲应力最大，因此此处对试样表面质量最敏感。若表面存在明显的接刀痕时，或者齿轮表面加工质量差，也就相当于在齿轮表面预制了一个裂纹源，由于裂纹处应力集中，会加速裂纹的扩展，也就会很大程度上降低了齿轮的弯曲疲劳强度和寿命。

   

图3 20CrMnTiH3试样清理喷丸后的弯曲疲劳寿命分布

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

图5 疲劳裂纹起源于接刀痕

 

2.2不同齿轮材料弯曲疲劳强度对比试验结果

五种齿轮材料在三个不同应力载荷下的弯曲疲劳寿命分布见图6。当弯曲应力水平达到868Mpa和906MPa时，五种材料的渗碳试样弯曲疲劳寿命相当，在7.0×104～1.5×105次之间，寿命均较低，其疲劳寿命的高低一定程度上反映了齿轮抵抗疲劳裂纹的形成和扩展的能力和速度，从上述材料的疲劳寿命来看，高载荷下的渗碳淬火齿轮疲劳寿命只取决于裂纹形成速度，也就是说当疲劳裂纹一旦形成，裂纹扩展速度非常快，所以三个钢种的差异对渗碳淬火齿轮的弯曲疲劳寿命的影响不明显；当弯曲应力水平降为831MPa时，SCM822H、SCM420H、20CrMnTiH4三种材料渗碳淬火齿轮的弯曲疲劳寿命大幅提高，当裂纹形成后，裂纹扩展的速度也就会明显降低，与材料本身的特性就息息相关了。

 

 

    图6 五种材料试样的弯曲疲劳寿命分布

 

2.4 不同心部硬度弯曲疲劳对比试验结果

由于材料的淬透性不同，使其具有不同的心部硬度。图7是在相同试验条件下，淬透性不同的20CrMnTiH子钢号20CrMnTiH2、20CrMnTiH3、20CrMnTiH4试样的弯曲疲劳寿命。这三种材料对应的心部硬度分别为：34HRC、32.5HRC、38HRC。在相同应力水平下，心部硬度为38HRC的20CrMnTiH4材料疲劳寿命最高，20CrMnTiH2的次之，20CrMnTiH3的疲劳寿命最低。

齿轮在传送动力的过程中要承受很大的交变弯曲应力的作用，提高其弯曲疲劳强度的基本途径是提高材料的强度(硬度)和表面残余应力。 文献^[2]指出，较低的心部硬度会降低齿轮的弯曲疲劳强度，而过高的心部硬度又会使齿轮在过载负荷的冲击下脆性折断。在规定范围内提高齿轮的心部硬度，对提高齿轮弯曲疲劳性能非常有利。心部硬度与材料的淬透性密切相关，淬透性能低，热处理后轮齿的心部硬度低，但若淬透性能过高，又会影响热处理变形以及表面残余应力状态等，因此选择合适的心部硬度是提高弯曲疲劳强度的关键，从图4可以看出，三组不同心部硬度试样的疲劳寿命随着心部硬度的增加显著增加，心部硬度为38HRC的20CrMnTiH4材料疲劳寿命最长，所以心部硬度对弯曲疲劳的抗过载能力有很大的影响。

 

图7  20CrMnTiH试样在831Mpa弯曲应力作用下心部硬度与疲劳寿命的关系

 

4 结论

用自行设计的弯曲疲劳试样评价SCM822H、SCm420H、20CrMnTiH2、20CrMnTiH3、20CrMnTiH4五种齿轮材料的弯曲疲劳特性，得出如下结论：

1）齿轮表面加工质量对其疲劳寿命有重要影响。圆角过渡粗糙、有明显加工刀痕的试样寿命显著降低，是导致齿轮早期失效的重要原因。

2）在831MPa 弯曲应力下，20CrMnTiH4 齿轮材料的弯曲疲劳寿命远高于其它四种齿轮材料，但在868MPa 以上，五种牌号的弯曲疲劳寿命均相当，且寿命显著降低。

3）心部硬度较高对提高齿轮的过载能力有很大的作用。采用更高淬透性的材料对提高驱动桥齿轮承载能力有利。

4）表面喷丸强化处理能显著改善齿轮的疲劳性能，即使是清理喷丸，对提高齿轮弯曲疲劳寿命有显著的影响。提高驱动桥齿轮承载能力，喷丸强化工艺势在必行。