技術(shù)小課堂丨高頻工況下齒輪彎曲疲勞試驗技術(shù)研究
中機(jī)小課堂
本文介紹了在齒輪在高頻振動加載工況下的抗疲勞特性,設(shè)計了單齒加載的齒輪彎曲疲勞夾具,利用電磁諧振高頻疲勞試驗機(jī)對齒輪進(jìn)行了疲勞試驗,驗證了齒輪彎曲疲勞試驗的可行性,為齒輪的疲勞試驗研究提供了依據(jù)。
齒輪傳動依靠輪齒的嚙合傳遞運(yùn)動和動力,有適應(yīng)性廣、傳動比恒定、效率高、工作可靠壽命長等諸多優(yōu)點,因此齒輪是工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛的機(jī)械傳動零件;也正是基于其廣泛的應(yīng)用,對于齒輪的傳動失效的研究也是具有十分重要的意義;齒輪傳動失效中,輪齒的彎曲疲勞也是發(fā)生概率較高的形式,造成后果十分嚴(yán)重;由于齒輪彎曲疲勞為高周應(yīng)力疲勞測試,考慮試驗周期長、成本高等前提,目前對于齒輪彎曲疲勞的研究更多是基于不同仿真軟件的數(shù)據(jù)支撐作為評價齒輪性能的依據(jù);本文結(jié)合高頻率加載下的齒輪彎曲疲勞測試,大幅提高試驗的效率,縮短試驗周期,同時搭配定制齒輪彎曲疲勞夾具,對齒輪在高頻響下的彎曲疲勞特性進(jìn)行了深入的研究。
齒輪彎曲疲勞的試驗形式包含兩種;嚙合運(yùn)轉(zhuǎn)及脈動加載,實現(xiàn)齒根應(yīng)力狀態(tài)和數(shù)值模擬,用以測定輪齒發(fā)生彎曲疲勞時的應(yīng)力水平;加載示意圖如圖1所示。
結(jié)合齒輪彎曲疲勞加載形式設(shè)計齒輪高頻疲勞夾具如圖2所示,齒輪由調(diào)節(jié)板送入試驗位置,并分別與上壓頭、支撐座接觸,并通過支撐軸進(jìn)行輔助支撐定位,通過上壓頭的加載即可實現(xiàn)壓向彎曲疲勞試驗。
夾具中支撐軸起到輔助支撐、定位作用,分散齒輪與下端支撐座的作用力,可以保證上壓頭接觸的輪齒受力最大,形成最終破壞位置,如圖2所示;調(diào)節(jié)板上的長圓孔結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)齒輪水平方向位置的調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)螺母與支撐座的螺紋配合可以實現(xiàn)齒輪垂直方向位置的調(diào)節(jié),最終實現(xiàn)上壓頭與齒輪的配位置準(zhǔn)確性,達(dá)到上壓頭作用線與齒輪基圓相切的目的,更符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,如圖3所示。
齒輪彎曲疲勞試驗有多種數(shù)據(jù)組合方法,并通過統(tǒng)計處理得到不同可靠度下疲勞曲線。該法可比較準(zhǔn)確地測定試驗齒輪有限壽命區(qū)間內(nèi)“可靠度-應(yīng)力-循環(huán)次數(shù)”曲線(“R-S-N”曲線),可預(yù)估齒輪彎曲疲勞極限。因此齒輪彎曲的整個試驗周期較長,一般單個試驗周次可達(dá)上百萬次,為縮短試驗時長、提高工作效率,采用試驗頻率較高的電磁諧振高頻疲勞試驗機(jī)進(jìn)行測試。
電磁諧振高頻疲勞試驗機(jī)應(yīng)滿足如下指標(biāo):
(1)應(yīng)同時具備靜載荷、動載荷試驗控制方式,加載過程無沖擊振動現(xiàn)象;
(2)載荷、加載頻率和循環(huán)次數(shù)的顯示和記錄功能;
(3)示值相對誤差應(yīng)不大于0.5%,動載荷示值相對誤差不大于2%;
(4)加載頻率范圍在60-300Hz之間
2.4
試驗研究
采用中機(jī)試驗裝備股份有限公司生產(chǎn)的20t電磁諧振高頻疲勞試驗機(jī)進(jìn)行齒輪的彎曲疲勞如圖4所示。
試驗過程中,設(shè)備可通過多種保護(hù)(頻率降、負(fù)荷超限、預(yù)定義試驗次數(shù))自動停機(jī),停機(jī)后檢查試樣,輪齒根部出現(xiàn)裂紋導(dǎo)致加載力超限觸發(fā)主機(jī)停機(jī)保護(hù),出現(xiàn)裂紋為上壓頭對應(yīng)的輪齒,證明支撐軸的輔助作用起到效果,與最初的設(shè)計意圖吻合;如圖5所示。
繼續(xù)施加靜載將出現(xiàn)裂紋輪齒壓斷,拆除試樣進(jìn)行斷口檢查,從試樣斷口形態(tài)可清晰看出輪齒的疲勞裂口持續(xù)擴(kuò)展的狀態(tài),整個斷口疲勞裂紋在齒寬方向趨勢均勻,如圖6所示;斷口分析結(jié)果可證明夾具本身的加載位置準(zhǔn)確;可證明可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的必要性、可靠性;同時,也證明了主機(jī)整體同軸狀態(tài)良好。
針對直齒圓柱齒輪的加載特性及要求,設(shè)計了相應(yīng)的彎曲疲勞夾具,利用電磁諧振高頻疲勞試驗機(jī)對齒輪試樣進(jìn)行了彎曲疲勞試驗,驗證了高頻響下的齒輪彎曲疲勞試驗的可行性,以及所設(shè)計的齒輪彎曲疲勞夾具的可靠性,為齒輪彎曲疲勞試驗研究提供了有效依據(jù)。
GB/T 14230-2021.
JBT 5488-2015.
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