GB/T14230-2021:齿轮弯曲疲劳强度试验方法
前言
本文件按照GB/T1.1-2020《标准化工作导则第1部分:标准文件的结构和起草规则》的规定起草。
本文件代替GB/T14230-1993《齿轮弯曲疲劳强度试验方法》,与GB/T14230-1993相比,主要技术变化如下:
a)更改了第1章,其中“规定”的内容增加了“或用于对比分析不同材料、不同工艺、不同齿根形貌等条件下轮齿的抗弯曲疲劳性能”,“适用”的内容从“其它金属齿轮”扩展为“其他材料齿轮或非渐开线齿轮”(见第1章,1993年版的第1章);
b)更改了第2章中规范性引用文件(见第2章,1993年版的第2章);
c)更改了表1中的代号,补充了部分新代号(见表1,1993年版的表1);
d)增加了“试验原理”“试验目的”和“试验型式”,分别编为第4章、第5章和第6章(见第4章、第5章和第6章);
e)在第6章中纳入了原文件第8章的内容(见第6章,1993年版的第8章);
f)在第7章中增加了“升降变载法”“阶梯增载法”(见7.4和7.5,1993年版的第4章);
g)第8、9、10、11、12各章分别相对原文件的第5、6、7、9、10各章进行了修改,其中增加了10.4“试验点的补充与剔除”(见第8章~第12章和10.4,1993年版的第5章~第7章、第9章和第10章);
h)更改了附录A,纳入了原文件附录C的内容,将原文件附录A的内容纳入了8.1.1.2(见8.1.
1.2和附录A,1993年版的附录A和附录C);
i)更改了附录B,增加了考虑置信度的统计处理方法,将原文件附录B的内容纳入了8.1.2.1(见8.1.2.1和附录B,1993年版的附录B);
j)更改了附录C,增加了常规成组法数据处理的算例,将原文件附录C的内容纳入了附录A(见附录A和附录C,1993年版的附录C);
k)更改了附录D,增加了升降变载法数据处理的算例,将原文件附录D的内容纳入了11.1.4(见11.1.4和附录D,1993年版的附录D);
l)更改了附录E,增加了阶梯增载法数据处理的算例,删除了原文件附录E的内容(见附录E,1993年版的附录E)。
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本文件由全国齿轮标准化技术委员会(SAC/TC52)提出并归口。
本文件及其所代替文件的历次版本发布情况为:
---本文件于1993年首次发布为GB/T14230-1993,本次为第1次修订。
1范围
本文件规定了关于渐开线圆柱齿轮齿根弯曲疲劳强度试验的原理、目的、型式、方法、装备、失效判据、程序、数据处理以及试验报告。
本文件适用于测定钢或铸铁材料渐开线圆柱齿轮齿根弯曲疲劳承载能力设计所需的基础数据,并适用于对比分析不同材料、不同工艺、不同修形方式等条件下齿轮的弯曲疲劳性能。其他材料齿轮或非渐开线齿轮的同类试验可参照使用。
2规范性引用文件
下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中,注日期的引用文件,仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
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GB/T25917.1单轴疲劳试验系统第1部分:动态力校准
JB/T8831工业闭式齿轮的润滑油选用方法
3术语和定义、代号
GB/T3358.1、GB/T3480.1和GB/T3480.3界定的术语和定义适用于本文件。
4试验原理
4.1通过啮合运转(见图1)或脉动加载(见图2),对试验齿轮的轮齿施加受控载荷,再现或模拟齿根的应力状态和数值,用以测定轮齿发生弯曲疲劳失效(或超过齿根应力循环基数N0后失效)时的循环次数,或测定给定循环次数(例如N0)下轮齿发生弯曲疲劳失效时的应力(载荷)水平。经过对试验数据的统计处理,用以获取反映试验齿轮弯曲承载能力的“应力-循环次数”曲线或“载荷-寿命”曲线1),或对不同材料、不同工艺、不同齿根形貌等条件下齿轮的弯曲疲劳性能进行对比。
4.2由于疲劳试验数据的离散性不可避免,只有得到足够多的试验数据,其分布才具有一定的统计学意义。因此,在实际应用中若只能以有限的试验数据点进行分析或对比,应严格控制试验过程,并注意结论的局限性。
5试验目的
5.1基础数据测定
当采用特定材料、按照特定工艺加工试验齿轮时,通过试验数据的处理,可以获得该类齿轮的弯曲疲劳极限应力或S-N曲线,以此作为该材料和工艺的强度设计基础值。具体要求如下:
a)对于高周疲劳寿命设计,应测定耐久性疲劳极限应力;
b)对于有限寿命设计,应测定对应寿命区间的S-N曲线;
c)当a)和b)同时要求或没有明确要求时,应测定完整的S-N曲线。试验方法见第7章。
5.2性能对比
5.2.1当采用不同材料或不同工艺加工的试验齿轮时,通过对试验数据的处理,可以评定不同因素对齿轮弯曲疲劳强度的影响。这些因素包括但不限于:
---齿轮材料;
---齿轮热处理;
---齿轮几何参数;
---加工流程;
---齿根机加工(滚齿、插齿、铣齿等);
---齿根表面处理(喷丸、超精加工、镀层等);
---工作温度;
---润滑油。
5.2.2依据5.2.1的对比,可以优化齿轮的材料、工艺、齿根设计等。为提高效率,经充分评估后,宜在有限寿命应力级下进行试验。试验点数应根据试验结果的离散性确定。每种用于对比的试验点数不宜少于5个。
5.2.3如需要对比耐久性疲劳极限应力,应按照7.4或7.5的要求进行试验。
5.3其他
除5.1和5.2以外,其他试验目的可由研究人员自行设定。例如探究齿轮弯曲疲劳失效机理和主要原因,分析齿轮弯曲疲劳裂纹的萌生和稳定扩展过程,制定轮齿弯曲疲劳损伤的抑制方法等。
6试验型式
6.1总述
为了确定齿轮弯曲承载能力和疲劳强度,将试验齿轮副安装在试验台上进行运转加载的方式称为运转型试验(见图1),将试验齿轮以专用夹具固定在试验机上对轮齿进行脉动加载的方式称为脉动型试验。当两种试验型式所得结果存在差异时,应以运转型试验为准。
6.2运转型试验
6.2.1试验中,在指定载荷(转矩)下循环一定次数后齿根出现弯曲疲劳失效或达到齿根应力循环基数N0而未失效时(称为“越出点”),试验终止并获得轮齿在当前试验应力值下的一个寿命值,形成一个数据组(称为“试验点”)。当试验过程无异常时,将该试验点称为“有效试验点”,否则称为“异常试验点”。
6.2.2试验齿轮的齿根弯曲应力应依根据GB/T3480.1和GB/T3480.3计算:
6.3脉动型试验
6.3.1试验中,在试验轮齿靠近齿顶的有效渐开线位置施加设定的脉动载荷,循环一定次数直至齿根出现弯曲疲劳失效或越出时,试验终止并获得轮齿在该试验应力下的一个寿命数据。
6.3.2试验齿轮不作啮合运转,载荷仅施加在试验轮齿上,每个试验齿轮可得若干试验点,但所选取的试验轮齿与承受过载荷的轮齿(包括支撑齿)至少应间隔一个轮齿。
6.3.3试验轮齿在E点被加载时产生的齿根弯曲应力计算:
7试验方法
7.1总述
齿轮弯曲疲劳试验有多种数据组合方法,如常规成组法、少点组合法、升降变载法、阶梯增载法等。
在试验方案制定阶段,宜根据试验目的和试验周期进行合理选择。
7.2常规成组法
7.2.1该法是在多个应力级下成组进行疲劳寿命试验,并通过统计处理得到不同可靠度下疲劳曲线的一种试验方法。该法可用于比较准确地测定试验齿轮有限寿命区间内“可靠度-应力-循环次数”曲线(“R-S-N”曲线),也可用于预估齿根弯曲疲劳极限应力σFlim。
7.2.2试验时,通常取4个或5个应力级,每个应力级下应有不少于5个试验点。最高应力级与次高应力级的应力间隔以总试验应力范围的40%~50%为宜,随着应力的降低,应力级间隔应逐渐减小。
最高应力级试验点的循环次数应不少于1×104,最低应力级应有越出点。
7.2.3当以不同材料、不同工艺、不同齿根形貌的齿轮进行对比试验时,可按该法得到不同的R-S-N曲线。为合理地缩短试验周期,也可取2个或3个应力级进行成组对比。
7.3少点组合法
7.3.1该法是在多个应力级下进行较少数量点的疲劳寿命试验,通过数据拟合得到S-N曲线。该法可用于测定试验齿轮有限寿命区间内50%可靠度下的S-N曲线,也可用于预估齿根弯曲疲劳极限应力σFlim,或可用于不同材料、不同工艺、不同齿根形貌下试验齿轮弯曲疲劳性能的对比测试。
7.3.2试验时,通常取4个~10个应力级,每个应力级下应取1个~4个试验点(不包括越出点),总的试验点数不宜少于7个。所设置的应力级应在有限寿命区间内合理分布,见图4,原则是:
---在高应力级区,应力级间隔可适当加大;
---在低应力级区,应力级间隔可适当减小;
---在最低应力级,应出现越出点。
7.4升降变载法
7.4.1该法是给定循环次数后,在预估疲劳极限应力σ'lim附近设置多个应力级,依据试验点失效或越出的升降分布统计得出疲劳极限应力。该法可用于比较准确地测定齿根弯曲疲劳极限应力σFlim。
7.4.2试验时,当前试件加载的应力级应由前一试件的试验结果决定:当前一试件为“失效”时,该试件加载的应力级应降低一级;“越出”时,则增高一级。“失效”和“越出”应配对出现。试验过程通常取4个~6个应力级,相邻应力级的差值宜取Δσ=(0.04~0.06)σ'lim,考虑试验周期,所需试验点总数不宜少于20个。最后的有效试验点后的预测点应与第一个有效点应力水平同级。
7.5阶梯增载法
7.5.1该法是基于Palmgren-Miner法则,只用1个失效试验点,通过阶梯增量加载的方式快速获取疲劳极限应力。该法特别适用于不同材料、不同工艺、不同齿根形貌下,试验齿轮弯曲疲劳性能的快速对比试验。当已有试验数据较多时,该法也可用于齿根弯曲疲劳极限应力σFlim的大致测定。
7.5.2试验时,首先预估疲劳极限应力σ'lim,以初始应力级σi≈σ'lim为起点以阶梯增载的方式进行疲劳试验,每一应力级σi加载n次循环后观察损伤情况,如未到达设定的失效判据,则进入下一应力级σi+1=σi+Δσ继续试验,直至失效。见图6。应注意,在最后的应力级下,试验齿轮不应出现除弯曲疲劳外其他形式的损伤。
7.6其他方法
本文件不排斥其他的试验方法,但该方法应符合抽样和数理统计的要求,并与试验委托方或数据使用方达成一致。例如釆用正交法进行对比试验时,每个对比因素至少应有3个试验点。
7.7各种试验方法的比较
对7.2~7.5不同的试验方法所得到的处理结果和占用的试验周期进行比较。
注:可综合使用常规成组法和升降变载法测定R-S-N曲线,其他试验方法常用于对比试验。在试验点数较少的情况下,试验结论有局限性。
a任意可靠度。
b可靠度R=50%。
c仅预估。
8试验装备
8.1试验机
8.1.1运转式
8.1.1.1要求
8.1.1.1.1宜采用功率流封闭传动形式(如图1所示),并具备双向运转和加载能力。中心距范围宜选为80mm~160mm,加载方式可采用可控液压加载,试验齿轮线速度宜选为8m/s~30m/s(不宜大于40m/s),并应具有以下基本功能:
a)保证试验齿轮接触斑点在不同载荷级下均能满足试验要求;
b)有足够能力补偿齿轮、轴承、密封件等处的功率损失;
c)试验过程中发生异常或齿轮断齿(失载)时可自动停机;
d)转矩加载稳定,连续可调;
e)在10%~100%的加载范围内,转矩测量误差不大于被测转矩值的±1%;
f)保证试验齿轮具有良好润滑条件,润滑油温度控制误差不大于±5℃;
g)有循环次数记录装置,试验过程中工作应连续、可靠,最大记录误差不大于±0.1%。
8.1.1.1.2试验中所需润滑油应按JB/T8831进行选择和更换。一般情况下,试验机每连续运转三个月,应进行润滑油的取样检査、清洁或更换。
8.1.1.2校核
应定期按照试验机的技术指标进行校验,做到:
a)试验齿轮的使用系数KA的计算值不大于1.05。
数器等运行精度满足设备要求。
8.1.2脉动式
8.1.2.1设备要求
8.1.2.1.1主要性能与精度:
a)应具有静载荷试验和动载荷试验控制方式,在施加和卸除载荷的过程中应平稳,无冲击和振动现象;
b)应具有载荷、加载频率和循环次数的指示和记录装置;
c)在加载范围的5%~100%内,静载荷示值的相对误差应不大于±1%,动载荷示值的相对误差应不大于±3%;
d)频率计、计数器最大记录误差应不大于0.1%。
8.1.2.1.2使用前应做以下准备:
a)对频率计、计数器及载荷稳定度进行测试,并有标定记录;
b)定期按照GB/T25917.1进行静载荷和动载荷校准。
8.1.2.2夹具要求
夹具的设计应根据试验要求及试验齿轮参数确定(见附录A),并满足以下要求:
a)具有足够的刚度,并能可靠地支承试验齿轮;
b)保证载荷作用在轮齿接近齿顶的有效渐开线的齿面上,并能确定载荷作用点E的准确位置;
c)保证施加在轮齿上的载荷作用线与试验齿轮基圆相切;
d)保证载荷沿螺旋线方向均匀分布,可通过加载头柔性化设计、支撑机构自适应设计和严格调整实现,并通过压痕观察、断痕形貌观察或加载头应变测试进行验证;
e)加载头的宽度大于试验齿轮齿宽,硬度高于试验齿轮齿面硬度。
8.2试验齿轮
8.2.1主要参数
8.2.1.1用于齿轮(或齿轮材料)的基础数据试验时,宜选用圆柱齿轮,模数mn=2mm~6mm,精度应满足GB/T10095(所有部分)规定的5级~7级,基本齿廓应符合GB/T1356的要求。可优先选择表3的参数范围,参数搭配应避免在试验中岀现疲劳点蚀或胶合现象。
8.2.1.2在条件允许的情况下,试验齿轮也可按产品齿轮参数和实际运行条件进行相似设计。而在制造过程中,齿廓渐开线与齿根过渡曲线连接处不应出现磨削台阶(特别进行磨削台阶影响弯曲疲劳试验时除外);同一种试验齿轮的制造工艺应相同,保证试验齿轮性能的一致性。
8.2.2技术要求
为保证试验的规范化和问题的可追溯,试验齿轮的设计和制造应形成正式技术文件,包括几何设计、强度分析、材料控制、毛坯成形、热处理、机加工、表面强化等7项主要内容(如有必要,可另行增加)。应根据试验目的就试验齿轮的制造过程控制进行必要的检测并记录,试验齿轮的搬运和存储也应合理规范。
对于脉动型试验,当试验齿轮与加载头有干涉时,允许对非加载轮齿部分去除,去除位置不超过渐开线起始圆。
9失效判据
试验中若出现下列情况之一时,应判定轮齿因弯曲疲劳而失效:
a)轮齿齿根出现可见疲劳裂纹或轮齿沿齿根断齿;
b)对于脉动型试验,因齿根出现疲劳裂纹而引起载荷值或加载频率下降了5%~10%(失载)。
10试验程序
10.1准备
10.1.1确定试验目的,根据试验齿轮制造与检验技术文件制定试验方案,选取试验类型和确定试验方法。
10.1.2清洗试验齿轮后目测检查,齿根过渡曲线不得有加工刀痕或其他形式的损伤,然后应对试验齿轮及其轮齿进行编号。
10.1.3对试验机进行校核。
10.1.4按试验机和夹具要求安装试验齿轮。
10.2预备试验
10.2.1进行空载/小载荷试运行,观察运行情况,检查接触斑点或压痕,保证螺旋线方向受载均匀。
10.2.2对于运转型试验,以低于预估弯曲疲劳极限应力50%的载荷值进行一定次数的跑合试验。
10.2.3根据第7章要求,划分试验应力级,对每个应力级进行1个或2个试验点的验证试验,以判定应力级设置的合理性。
10.3正式试验
10.3.1应按预备试验确定的应力级开始正式试验。
---对于运转型试验:当出现轻微点蚀、正常磨损、轻微胶合等现象,应仔细记录这些变化,评估其对弯曲疲劳试验的影响,并改善润滑及运转条件,消除或减缓非弯曲疲劳损伤的发展;当出现中等或严重磨损、胶合或点蚀时,应判为非弯曲疲劳失效,该数据不应作为试验点。
---对于脉动型试验:应注意加载压头塑性变形或微动磨损对载荷施加的影响,及时更换压头。
10.3.4准确记录试验循环次数,保留试验齿轮及断齿残片,以备进行失效分析。
10.4试验点的补充与剔除
10.4.1补充
10.4.1.2使用升降变载法时,应针对试验点数及时进行数据稳定性检验。最后连续4个试验点的稳定误差宜小于0.5%。若稳定误差不能满足要求,应补充试验点。
10.4.1.3使用其他试验方法时,应结合试验点的统计学分析,判断试验结果是否具有足够的数据支撑。
10.4.2剔除
10.4.2.1当某一试验点的循环次数可疑时,可采用统计学中对可疑数据的处理方法来决定取舍。对于正态分布,宜采用肖维涅准则、格拉布斯法等。
10.4.2.2当某一试验点的循环次数按照10.4.2.1选定方法被判定为过大数据时,应进一步分析该试验点的加载是否有误。如果是,应剔除该试验点。
10.4.2.3当某一试验点的循环次数按照10.4.2.1选定方法被判定为过小数据时,应检查试验齿轮是否由于制造缺陷导致失效(例如磨齿后产生了表面微裂纹),并检查试验机载荷、振动是否超限。如果有一点是,应剔除该试验点。
10.5失效分析
试验目的有要求时应进行失效分析。
结合齿根断口形貌,借助光谱仪、光学/金相显微镜、扫描/透射电镜等检测设备,推断齿轮试件失效的原因。
11试验数据的统计处理
11.1常规成组法和少点组合法
11.1.1给定应力级下寿命的概率分布
11.1.1.1在某一给定应力级下做n个试验点,得到的寿命值(循环次数)NL按递增顺序排列见公式(5)或公式(6):
a)无越出点时:
NL1≤NL2≤≤NLn-1≤NLn(5)
b)有越出点且失效试验点数为r时:
NL1≤NL2≤≤NLr-1≤NLr(6)
11.1.1.2对于某一寿命值NLi的寿命经验分布函数的表达见公式(7):
P(NLi)=n+1(7)
式中:
n---试验点总数;
i---试验点序号。当没有越出点时,i=1,2,,n;当有越出点时,i=1,2,,r。
11.1.2寿命分布函数假设
一般采用正态分布、对数正态分布或三参数威布尔分布进行分布检验,确定分布函数。
11.1.3寿命分布函数拟合与优度检验
11.1.3.1宜采用最小二乘法进行寿命分布的拟合与优度检验,具体步骤为:
a)采用公式(7)或公式(8)计算PNLi;
b)当按照正态分布拟合时,应按照公式(12)计算:
Φ-1PNL=σN
NL-μN(12)
当按照对数正态分布拟合时,应按照公式(13)计算:
Φ-1PNL=σlnN
lnNL-μlnN(13)
当按照威布尔分布拟合时,应按照公式(14)计算:
lnln11-PNL=β
lnNL-γ-lnη(14)
11.1.3.3不同可靠度下R-S-N曲线的各应力级应选取同一类型的分布。
11.1.4R-S-N曲线参数的确定
方法如下:
a)按确定的寿命分布函数计算不同可靠度R下的可靠寿命NL,R:
---对于正态分布,计算见公式(15):
NL,R=μN+σNΦ-1(1-R)(15)
---对于对数正态分布,计算见公式(16):
NL,R=expμlnN+σlnNΦ-11-R(16)
---对于三参数威布尔分布,计算见公式(17):
NL,R=ηln+γ(17)
b)拟合S-N曲线,宜按照公式(18)计算:
σmF·NL,R=C(18)
m---S-N曲线方程的指数;
C---S-N曲线方程的常数。
c)以各应力级相同可靠度的“应力-循环次数”作为子样,用最小二乘法拟合,可以得到一系列不同可靠度的R-S-N曲线。
11.1.5C-R-S-N曲线参数的确定
当要求建立C-R-S-N曲线时,方法见附录B。
11.1.6S-N曲线斜率的修正
11.1.6.1按公式(1)或公式(2)计算σF时,由于某些参数对静强度和疲劳强度有不同影响,故应修正S-N曲线的斜率。
11.1.6.2修正后的S-N曲线方程参数的计算
11.2升降变载法
11.2.1根据7.4得到不同应力级下“越出”和“失效”试验点分布后,以总点数较少原则选择“越出”或“失效”作为“分析事件”进行统计分析。
11.2.2将应力级按升序排序,见公式(23):
σ0≤σ1≤≤σl(23)
l---应力级数。
11.2.4可靠度为R下的疲劳极限应力σR的计算见公式(30):
σR=μσ+Φ-11-Rsσ(30)
11.2.5考虑置信度的疲劳极限应力σR,C的计算见B.2。
11.2.6完整算例见附录D。
11.3阶梯增载法
该法适用于疲劳极限应力的快速测定(算例见附录E)。过程如下:
a)记录试验中的应力级σi和对应的循环次数ni;
b)选取J条(J≥3)可参考的S-N曲线方程见公式(31):
σmlimj·N0=Cjj=1,2,,J(31)
σlimj---第j条可参考的S-N曲线的疲劳极限应力;
Cj---第j条可参考的S-N曲线方程的常数。
其中一条参考的S-N曲线应选取与试验齿轮材料、工艺相同或相近的曲线,其余参考的S-N曲线可由该曲线平移变换得到;
c)将应力级σi分别代入J条参考S-N曲线方程中,求解对应的寿命Nij;
d)根据循环次数ni求出对应应力级σi的ni/Nij值及参考S-N曲线的∑ni/Nij值;
e)拟合∑n/N-σlim曲线方程,求解∑n/N=1时的σlim值。该值即为疲劳极限应力。