設計仿真 | 圓柱齒輪齒面斷裂失效風險評估與改進方法
概 述
除了以齒面膠合或齒面剝裂（如點蝕和斷齒）為特征的齒輪失效模式外，裂紋也可能在靠近心部的表面下方產生。這些裂紋會導致輪齒斷裂，稱為齒面斷裂（TFF）或輪齒內部疲勞斷裂（TIFF）。ISO/TS 6336-4:2019描述了外嚙合圓柱直齒輪和斜齒輪齒面斷裂承載能力的計算方法。
Romax Enduro中使用ISO/TS 6336-4:2019標準中的方法A進行計算，齒輪微觀接觸分析的結果作為TFF計算的輸入。該方法多用在風電行業或使用較大輪齒、高循環次數的應用場景。
背景：材料暴露量
ISO/TS 6336-4:2019齒面斷裂失效承載能力計算標準與ISO6336其它幾部分的主要區別在于，它處理的是“材料暴露量”而不是損傷，它沒有對如何計算不同載荷工況的影響給出任何指導。在該標準中給出的一些限制為：
?“滲碳齒輪最常出現齒面斷裂，但滲氮和感應淬火齒輪也會出現故障，大多數觀察到的齒面斷裂發生在從動齒輪上。”
?“由于齒面斷裂導致的故障通常發生在超過10^7個載荷循環的情況下。”（我們假設這是來自ISO6336-1中的NL）
?“最大材料暴露量AFF,max≥ 0.8，在持續輸入扭矩的作用下，可能導致齒面斷裂。”
下圖類似于應力疲勞曲線（S-N）圖，x軸為載荷循環次數，在垂直方向上有載荷或損傷的度量。對于ISO 6336第2和3部分中的點蝕和彎曲失效模式，y軸使用了應力，材料的應力疲勞極限由SN曲線表示，類似于灰色虛線。
在該TFF計算中，沒有這種曲線，通過/不通過標準，由紅線顯示；AFF最大值大于0.8，并且持續扭矩大于10^7次循環。如果帶字母的圓點表示荷載情況，則：
?(a) 將通過，因為其AFF,max < 0.8，并且循環次數低于10^7。
?(b) 將通過，因為其AFF,max < 0.8。
?(c) 將不通過，因為其AFF,max > 0.8，并且循環次數高于10^7。
?(d) 和 (e) 將都通過，因為其AFF,max > 0.8，但循環次數沒有達到10^7。
對于組合工況，則：
?(a)+(b) = 通過，因為所有工況AFF,max < 0.8。
?(c) + 任何工況= 不通過，因為 (c)不通過。
?(d)+(e) = 該標準描述了連續扭矩負載，但在這里，用戶應該考慮從AFF,max > 0.8的工況中增加循環，因此結果是不通過。
?(a)+(e) = 未知的，該標準沒有給出組合循環次數的方法，因此這由用戶決定，直到業界就失效極限達成進一步協議。
使用示例
工程師觀察到某些齒輪的故障不是通常的點蝕或彎曲失效模式，他們想檢查確認此失效是否是由于齒面斷裂引起，如果是，將提出預防措施防止再次發生此類問題。
在Romax建立的齒輪箱仿真模型中，選擇齒輪的載荷工況，檢查模型中的材料屬性是否與測量的制造齒輪中的屬性相匹配。具體地說，對照TFF設置窗口中的計算曲線，檢查測量的殘余應力和硬度：
然后，使用報告選擇器選擇要運行的載荷工況和嚙合齒輪副，獲取TFF計算結果：
結果顯示行星輪2和3的齒輪嚙合的材料暴露量較高，行星輪3的暴露量最嚴重。但只有太陽輪的暴露量和循環次數超過了極限。
查看齒輪副接觸斑報告，工程師可以檢查不同位置處行星輪的TFF結果：
行星輪2和行星輪3由于右側的接觸應力較高，因此具有較高的暴露量。使用3D微觀幾何結果可更詳細地查看到，與最大暴露量發生的深度位置保持一致（約4mm）：
觀察2D圖形，我們可以進一步查找原因 - 局部應力在表層與心部交界附近達到峰值。此時工程師可以通過查看輪齒失效開始的深度和位置，判斷該結果是否與TFF失效相關。
根據該信息，工程師可以通過以下方式防止再次發生這種情況：
?減少局部應力（例如，通過優化齒面微觀修形）。
?改善表面硬度分布（例如，通過改變硬化層深度）。
由于此計算需要額外的計算時間，默認情況下它是關閉的。工作流程是：
1.檢查要進行TFF計算的齒輪材料，尤其是表面硬度以及抗拉強度；
2.打開需計算的每個齒輪組的TFF計算選項；
3.檢查TFF默認設置，并根據需要進行調整（針對每種不同的齒輪材料）；
4.下面的任一項：
a.正常運行單個載荷工況和單個微觀幾何工況，并在微觀幾何結果窗口中查看結果；
b.報告> 齒輪> ISO/TS 6336-4……將打開報告選擇器，允許用戶一鍵運行多個靜力學和微觀幾何結果。
一個通過優化微觀修形降低最大材料暴露量的示例如下：
通過齒面微觀修形優化，AFf,max降低了約0.2，現在低于0.8的默認極限。然而，最大接觸載荷點距離齒面中心仍然很遠，因此我們可以添加一些齒向偏斜，使其向齒面中心移動。此修化過程支持在參數優化工具（DOE）中進行自動化操作，提升優化效率。
使用DOE工具評估TFF結果
盡管降低了AFF,LC最大值，但這可能會在其它方面造成不必要的影響，因此需要綜合考量齒輪的其它性能指標。通過DOE自動化參數研究功能可以快速評估這些關注的性能。
DOE計算目標
TFF DOE計算結果
DOE結果顯示，這兩個行星上的應力都在800-850MPa左右。
打開報告選項卡，查看最佳值（這需要一點工程判斷）大致為61號方案，其對應的鼓形量為33um，齒向斜度為 -75um。
轉到候選Candidates選項卡，在右側列表中選擇候選61，然后單擊應用Apply。
將此最佳方案應用至當前模型，然后選擇所有2級太陽輪嚙合，并運行荷載工況8、9和10的TFF計算（這將需要幾分鐘）。
結果表明，我們已經平衡了AFF,max的分數，并將AFF,LC的最大值從大約0.55降至0.43。
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