彎曲疲勞性能是評價齒輪承載能力的一項重要指標，而噴丸強化是提高齒輪彎曲疲勞性能的有效手段，國內(nèi)外很多機構(gòu)對影響齒輪彎曲疲勞性能的因素進行過研究。原一汽技術(shù)中心曾自行設(shè)計開發(fā)了齒輪彎曲疲勞試驗裝置，針對強化噴丸工藝對齒輪彎曲疲勞性能的影響進行了研究

，認為噴丸強化齒輪齒根殘余應(yīng)力達到1000MPa時較未噴丸齒輪彎曲疲勞強度可以提高10%；重慶大學樊毅嗇等人研究了噴丸強化對齒根殘余應(yīng)力的影響，認為噴丸強化可以提高齒輪彎曲疲勞性能；西北工業(yè)大學徐穎強等研究了噴丸強化對齒輪殘余應(yīng)力的影響，并對齒面殘余應(yīng)力分布情況進行了測試研究。本文通過齒輪彎曲疲勞試驗研究了齒輪材料表面噴丸強化工藝對齒輪彎曲疲勞性能的影響。

1、齒輪彎曲疲勞試驗試驗方法：

齒輪材料彎曲疲勞試驗夾具采用圖1所示的單齒加載方式。該種試驗方法通過摩擦力固定試驗齒輪，摩擦力來至緊固螺栓的扭緊力矩。試驗方法執(zhí)行GB/T14230—1993《齒輪彎曲疲勞強度試驗方法》中的4.2B輪齒高頻脈動加載試驗方法。圖1

試驗夾具示意試驗齒輪基本參數(shù)：試驗齒輪為直齒輪，材料采用20CrNiMoH，齒輪制造工藝為鍛造-正火-粗車-精車-滾齒-滲碳淬火-磨齒-噴丸；滲碳溫度（925±5）℃,840℃淬火，180℃回火；齒輪噴丸采用QZG-1000Y型吊掛式拋丸機，丸速80m/s，丸粒直徑0.8mm，覆蓋率為200%；殘余應(yīng)力測試設(shè)備為X射線應(yīng)力儀X3003，測試方法為X射線衍射法。試驗齒輪主要參數(shù)見表1，試驗齒輪的宏觀形貌見圖2，試驗齒輪力學性能檢驗結(jié)果見表2，化學成分檢驗結(jié)果見表3。試驗過程：試驗設(shè)備為Zwick15噸高頻試驗機，試驗應(yīng)力比r為0.05，試驗頻率為105Hz。為了比較噴丸與未噴丸齒輪的疲勞強度及S-N曲線斜率，分別測試2種齒輪的S-N曲線進行比較。采用分組法測試S-N曲線的斜線段部分，應(yīng)力級別5個以上，成組數(shù)據(jù)點在8個以上；利用升降法測試曲線疲勞強度極限，條件疲勞極限壽命為300萬次，有效數(shù)據(jù)在10個以上。2、試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)處理成組法試驗結(jié)果：噴丸齒輪與未噴丸齒輪成組法獲得的疲勞試驗結(jié)果數(shù)據(jù)見表4、表5。

利用肖維奈（Chauvenet）準則對各組試驗數(shù)據(jù)進行可疑數(shù)據(jù)取舍處理，具體過程參見文獻。

其中噴丸齒輪各組試驗數(shù)據(jù)均有效，未噴丸齒輪數(shù)據(jù)在35kN、33kN載荷下均有可疑數(shù)據(jù)。

式中，為數(shù)壽命均值；Xp為存活率為p時對數(shù)壽命；up為標準正態(tài)偏量；s為標準差；NP為存活率為p時壽命。

根據(jù)以上公式求得不同存活率下的疲勞壽命對數(shù)值見表6。升降法試驗結(jié)果：利用升降法測試的兩種工藝的疲勞強度極限結(jié)果見圖5、圖6。不同存活率的疲勞極限載荷見表7。

齒根應(yīng)力計算：根據(jù)GB/T14230—1993中公式計算各載荷下的實際齒根應(yīng)力。

（4）式中，σ，F(xiàn)為實際齒根應(yīng)力；Ft為端面內(nèi)分度圓周上的名義切向力；YFE為載荷作用下E點時的齒形系數(shù)；YSE為載荷作用于E點時的應(yīng)力修正系數(shù)；b為齒寬；m為模數(shù)；YST為齒輪的應(yīng)力修正系數(shù)；YδrelT為相對齒根圓角敏感系數(shù)；YRrelT為相對齒根表面狀況系數(shù);YX為計算彎曲強度的尺寸系數(shù)。按上式計算各試驗載荷下齒根應(yīng)力值見表8。3、P-S-N曲線繪制根據(jù)表6、表8的計算結(jié)果，繪制20CrNiMoH材料兩種不同工藝齒輪彎曲P-S-N曲線見圖7、圖8

兩種不同工藝齒輪的存活率50%的S-N曲線對比見圖9

噴丸齒輪不同存活率的曲線冪函數(shù)式如下。

a.P=50%時S-N曲線公式為S=2392.1N-0.075（r=0.9569）；

b.P=90%時S-N曲線公式為S=2458.5N-0.081（r=0.9495）；

c.P=95%時S-N曲線公式為S=2460.4N-0.082（r=0.9436）；

d.P=99%時S-N曲線公式為S=2450.3N-0.083（r=0.9289）。

未噴丸齒輪不同存活率的曲線公式如下。

a.P=50%時S-N曲線公式為S=1982.9N-0.077（r=0.9989）；

b.P=90%時S-N曲線公式為S=2012.1N-0.08（r=0.9996）；

c.P=95%時S-N曲線公式為S=2017.2.4N-0.081（r=0.9997）；

d.P=99%時S-N曲線公式為S=2026.4N-0.083（r=0.9997）。4、討論分析

a.齒輪制造，2種試驗齒輪采用相同的材料，相同的機加和熱處理工藝，只有噴丸與未噴丸的差異，噴丸的齒輪為同一批次處理完成，保證齒輪表面噴丸強化效果的一致性。

b.試驗條件，噴丸與未噴丸的試驗齒輪在同一臺高頻試驗機上進行彎曲疲勞試驗，試驗夾具為單齒齒頂加載，保證了每次試驗時加載位置的一致性。

c.試驗樣品數(shù)，為了解決試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定性及可靠性的問題，通過成組法獲得的試驗數(shù)據(jù)經(jīng)過了可疑數(shù)據(jù)篩選處理，低應(yīng)力下的試驗數(shù)據(jù)在12個左右，保證了試驗數(shù)據(jù)的可靠性。

d.齒根應(yīng)力計算，齒根應(yīng)力計算采用國標GB/T14230中的計算方法，由于噴丸與未噴丸齒輪幾何參數(shù)相同，計算時選取的參數(shù)一致，應(yīng)力計算結(jié)果能反應(yīng)二者齒根受力差異。

e.2種齒輪S-N曲線比較，噴丸齒輪P50曲線的冪函數(shù)指數(shù)為-0.075，P99曲線冪函數(shù)指數(shù)為-0.083，未噴丸齒輪P50曲線的冪函數(shù)指數(shù)為-0.077，P99曲線冪函數(shù)指數(shù)為-0.083，可見兩種齒輪相同存活率下的S-N冪函數(shù)指數(shù)幾乎相等。說明了相同模數(shù)及齒寬的齒輪彎曲S-N曲線的冪函數(shù)指數(shù)相近。5、結(jié)論

a.測試獲得了20CrNiMoH材料噴丸與未噴丸齒輪不同存活率的彎曲P-S-N曲線，兩種齒輪的冪函數(shù)指數(shù)