齒輪疲勞的案例
雙面受載齒輪彎曲疲勞設(shè)計(jì)方法研究
摘要：對現(xiàn)行的齒輪彎曲疲勞設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)行的方法如果采用按GBIT3480～1983齒輪彎曲疲勞實(shí)
驗(yàn)方法，得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行齒輪的彎曲疲勞設(shè)計(jì)，只適用于齒輪單面受栽的情況。為了解決這一問題，從疲勞損傷的基本
理論出發(fā)，結(jié)合GB／T3480—1983齒輪彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)方法，推導(dǎo)出了求解齒輪雙面受栽彎曲疲勞應(yīng)力的修正方法和相應(yīng)
的計(jì)算公式，對原有的方法進(jìn)行了補(bǔ)充。
雙面受載齒輪彎曲疲勞設(shè)計(jì)方法研究.pdf
展開 齒輪的表面完整性與抗疲勞制造技術(shù)的發(fā)展趨勢
建立齒輪的抗疲勞制造質(zhì)量檢測體系和健康監(jiān)測平臺(tái)，開發(fā)新型無損、在線的檢測技術(shù)與健康監(jiān)測和研發(fā)相關(guān)設(shè)備將是齒輪抗疲勞檢測研究的重點(diǎn)。通過檢測可確保制造的齒輪抗疲勞性達(dá)到要求，通過健康監(jiān)測可使齒輪的表面與次表面性能的破壞程度得到控制，從而實(shí)現(xiàn)齒輪長壽命、高可靠和安全使用的目的。
齒輪抗疲勞制造技術(shù)的未來發(fā)展趨勢可簡單總結(jié)為高、精、細(xì)、深。高是齒輪的表面性能要求高; 精是齒輪的表面最終要采用精加工; 細(xì)是齒輪加工工藝要求更細(xì); 深是齒輪的表面改性層要深，可承擔(dān)較高載荷和具有較長的使用壽命。
4 結(jié)束語
齒輪的表面完整性制造與抗疲勞制造將賦予齒輪表面具有新性能與功能，使齒輪零件具有長壽命、抗疲勞、高可靠的服役特性，是實(shí)現(xiàn)我國齒輪產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級、產(chǎn)品換代的關(guān)鍵核心技術(shù)，也是我國齒輪生產(chǎn)行業(yè)從中低端產(chǎn)品生產(chǎn)邁向高端產(chǎn)品制造的重要途徑。
實(shí)現(xiàn)齒輪從成形制造到表面完整性制造的轉(zhuǎn)變并發(fā)展新的齒輪抗疲勞制造技術(shù)體系，需要體制的完善、市場的作用，更需要我們意識(shí)的改變和核心技術(shù)的培育，希望大家共同努力，為實(shí)現(xiàn)齒輪制造強(qiáng)國夢而努力。
來源：金屬熱處理
展開 高強(qiáng)度汽車齒輪表面強(qiáng)化技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢（一）
研究表明表面粗糙度最低的C鋼輥具有較高的接觸疲勞壽命極限，有模擬加工直徑0.1 mm小孔的表面缺陷的C′鋼輥接觸疲勞壽命最低。
圖 12 最大赫茲應(yīng)力與齒面疲勞壽命關(guān)系
3.2 齒輪噴丸強(qiáng)化
噴丸強(qiáng)化通過機(jī)械手段在齒輪表面產(chǎn)生壓縮變形，使表面產(chǎn)生形變改性層，從而使表面強(qiáng)度提高，是齒輪提高齒輪疲勞強(qiáng)度廣泛應(yīng)用的方法。噴丸處理使齒面強(qiáng)化層內(nèi)產(chǎn)生很大的塑性變形，齒面表層殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，誘發(fā)轉(zhuǎn)變成的馬氏體有方向性，并沿滑移線平行成束排列，原始馬氏體的位錯(cuò)密度增加，結(jié)構(gòu)得到細(xì)化，噴丸使得齒輪的表面顯微硬度和齒面數(shù)十微米下的殘余壓應(yīng)力提高，可大幅度提高汽車齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限和使用壽命。
噴丸處理使得齒輪表面完整性發(fā)生下列主要變化，即① 引入殘余壓應(yīng)力場；② 形變細(xì)化組織結(jié)構(gòu)；③ 表面硬度的變化；④ 表面粗糙度改變；其中①②③前 4種表層變化，均可改善齒輪的疲勞壽命，而噴丸帶來的表面粗糙度增加則可能降低材料疲勞性能，對齒輪的噪聲產(chǎn)生惡化，不利于汽車的振動(dòng)噪聲特性。通過控制噴丸強(qiáng)度、丸粒直徑等工藝參數(shù)、采取復(fù)合噴丸來改善噴丸對齒輪表面完整性的影響。齒輪噴丸強(qiáng)化表面完整性的控制關(guān)鍵則主要體現(xiàn)在對齒面殘余應(yīng)力分布狀態(tài)與表面粗糙度的控制，避免出現(xiàn)“欠噴”和“過噴”兩種不當(dāng)?shù)膰娡鑿?qiáng)化。
3.2.1 強(qiáng)力噴丸
日本在汽車齒輪抗彎曲疲勞強(qiáng)度表面強(qiáng)化技術(shù)研究方面，研究開發(fā)了多種形式的齒輪表面噴丸強(qiáng)化處理技術(shù)。如圖13所示，為齒輪表面噴丸強(qiáng)化示意圖。
圖 13 齒輪表面噴丸強(qiáng)化示意圖
日本馬自達(dá)汽車公司首先研究開發(fā)了高壓噴嘴形齒輪表面強(qiáng)力噴丸處理技術(shù)[7]。
展開 電驅(qū)動(dòng)橋測試試驗(yàn)方法
依據(jù)《GB T 18488.2-2006 電動(dòng)汽車電機(jī)及控制器第2部分試驗(yàn)方法》中第7章電機(jī)轉(zhuǎn)矩-特性及效率測試開展電機(jī)性能相關(guān)試驗(yàn)，主要包括以下試驗(yàn)項(xiàng)目：
1) 總成靜扭試驗(yàn)
2) 總成齒輪疲勞試驗(yàn)
3) 總成噪聲試驗(yàn)
4) 橋殼垂直彎曲疲勞試驗(yàn)
5) 橋殼垂直彎曲剛性試驗(yàn)
6) 橋殼垂直彎曲靜強(qiáng)度試驗(yàn)
三、傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)橋與電動(dòng)驅(qū)動(dòng)橋測試方法比較
1 輸入轉(zhuǎn)速及試驗(yàn)次數(shù)
在電動(dòng)驅(qū)動(dòng)橋總成齒輪疲勞試驗(yàn)方面，由于采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)以后，輸入轉(zhuǎn)速相較于傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)橋有很大程度的提高，這就導(dǎo)致主減齒輪的齒面磨損加劇，同時(shí)為了使輸出轉(zhuǎn)速回歸到車輛實(shí)際使用條件，普遍使用兩級減速，使主減速比相較于傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)橋提高了50%左右，系統(tǒng)復(fù)雜度提高，可靠性下降，綜合來看，為了使試驗(yàn)更加接近實(shí)際情況，對部分試驗(yàn)方法及評價(jià)做出了如下修改：
1) 摒棄了QC/T 533-1999《汽車驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架試驗(yàn)方法》中總成齒輪疲勞試驗(yàn)對試驗(yàn)輸入轉(zhuǎn)速?zèng)]有要求的做法，采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速作為試驗(yàn)輸入轉(zhuǎn)速進(jìn)行試驗(yàn)；
2) 同時(shí)，有些采用提高輸入端試驗(yàn)次數(shù)的做法，保證輸出端試驗(yàn)次數(shù)更接近實(shí)際使用情況。
展開 
一款平行軸式電驅(qū)橋的開發(fā)
滿足《QC/T534汽車驅(qū)動(dòng)橋評價(jià)指標(biāo)》6.2齒輪疲勞評價(jià)指標(biāo)：試驗(yàn)數(shù)據(jù)遵循對數(shù)正態(tài)分布（或布爾分布），取其中值疲勞壽命不低于50萬次，試驗(yàn)樣品中最低壽命不得低于30萬次。
4.2 道路NVH測試
采用LMS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集車輪后輪的轉(zhuǎn)速，二級齒輪的階次是76，一級齒輪的階次是 170。測得汽車加速和滑行時(shí)司機(jī)右耳噪聲：加速工況，二階齒輪最高59.52 dB，一階齒輪最高44.34 dB（見圖5）；滑行工況下，二階齒輪最高51.89 dB，一階齒輪最高37.92 dB（見圖6）。
展開 一款平行軸式電驅(qū)橋的開發(fā)
滿足《QC/T534汽車驅(qū)動(dòng)橋評價(jià)指標(biāo)》6.2齒輪疲勞評價(jià)指標(biāo)：試驗(yàn)數(shù)據(jù)遵循對數(shù)正態(tài)分布（或布爾分布），取其中值疲勞壽命不低于50萬次，試驗(yàn)樣品中最低壽命不得低于30萬次。
4.2 道路NVH測試
采用LMS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集車輪后輪的轉(zhuǎn)速，二級齒輪的階次是76，一級齒輪的階次是 170。測得汽車加速和滑行時(shí)司機(jī)右耳噪聲：加速工況，二階齒輪最高59.52 dB，一階齒輪最高44.34 dB（見圖5）；滑行工況下，二階齒輪最高51.89 dB，一階齒輪最高37.92 dB（見圖6）。
展開 基于ANSYS_LS_DYNA的直齒錐齒輪動(dòng)力學(xué)接觸仿真分析
針對直齒錐齒輪疲勞破壞中出現(xiàn)兒率最高的齒面接觸疲勞強(qiáng)度問題,在UG中建立齒輪幾何模型,利用ANSYS/LS2DYNA對齒輪進(jìn)行動(dòng)力學(xué)接觸仿真分析,計(jì)算了齒輪副在嚙合過程中齒面接觸應(yīng)力、應(yīng)變的變化情況及兩對輪齒同時(shí)接觸過程中接觸壓力的分布情況
基于ANSYS_LS_DYNA的直齒錐齒輪動(dòng)力學(xué)接觸仿真分析.pdf
干貨|細(xì)高齒設(shè)計(jì)在優(yōu)化電驅(qū)動(dòng)橋NVH的應(yīng)用
根據(jù)電驅(qū)動(dòng)橋產(chǎn)品的性能要求，齒輪設(shè)計(jì)的原則是在滿足強(qiáng)度的前提下盡 可能提高NVH性能。
CAE齒輪強(qiáng)度仿真計(jì)算
對一級齒輪使用細(xì)高齒設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行齒輪強(qiáng)度校核。依照ISO 6336:2006標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算齒輪應(yīng)力。按疲勞條件和材料S-N曲線計(jì)算許用應(yīng)力。
如圖所示，齒根彎曲疲勞強(qiáng)度和齒面接觸疲勞強(qiáng)度均滿足要求。
試驗(yàn)驗(yàn)證
(周節(jié)累計(jì)誤差、齒形齒向等誤差相當(dāng)前提下)
一級細(xì)高齒、二級標(biāo)準(zhǔn)齒NVH測試及結(jié)論
搭載了一級細(xì)高齒、二級標(biāo)準(zhǔn)齒輪的電驅(qū)動(dòng)橋產(chǎn)品A，順利通過了齒輪疲勞試驗(yàn)和總 成靜扭試驗(yàn)，驗(yàn)證了齒輪和電驅(qū)動(dòng)橋總成強(qiáng)度設(shè)計(jì)的合理性。產(chǎn)品A安裝到整車進(jìn)行路試，NVH測試數(shù)據(jù)如下：
結(jié)論：
1.二級標(biāo)準(zhǔn)齒輪NVH最高階次噪聲59dB，存在突出峰值，峰值比整車噪聲僅低11dB，對 整車噪聲具有一定的貢獻(xiàn)度。
展開 干貨|細(xì)高齒設(shè)計(jì)在優(yōu)化電驅(qū)動(dòng)橋NVH的應(yīng)用
根據(jù)電驅(qū)動(dòng)橋產(chǎn)品的性能要求，齒輪設(shè)計(jì)的原則是在滿足強(qiáng)度的前提下盡 可能提高NVH性能。
CAE齒輪強(qiáng)度仿真計(jì)算
對一級齒輪使用細(xì)高齒設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行齒輪強(qiáng)度校核。依照ISO 6336:2006標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算齒輪應(yīng)力。按疲勞條件和材料S-N曲線計(jì)算許用應(yīng)力。
如圖所示，齒根彎曲疲勞強(qiáng)度和齒面接觸疲勞強(qiáng)度均滿足要求。
試驗(yàn)驗(yàn)證
(周節(jié)累計(jì)誤差、齒形齒向等誤差相當(dāng)前提下)
一級細(xì)高齒、二級標(biāo)準(zhǔn)齒NVH測試及結(jié)論
搭載了一級細(xì)高齒、二級標(biāo)準(zhǔn)齒輪的電驅(qū)動(dòng)橋產(chǎn)品A，順利通過了齒輪疲勞試驗(yàn)和總 成靜扭試驗(yàn)，驗(yàn)證了齒輪和電驅(qū)動(dòng)橋總成強(qiáng)度設(shè)計(jì)的合理性。產(chǎn)品A安裝到整車進(jìn)行路試，NVH測試數(shù)據(jù)如下：
結(jié)論：
1.二級標(biāo)準(zhǔn)齒輪NVH最高階次噪聲59dB，存在突出峰值，峰值比整車噪聲僅低11dB，對 整車噪聲具有一定的貢獻(xiàn)度。
展開 干貨|細(xì)高齒設(shè)計(jì)在優(yōu)化電驅(qū)動(dòng)橋NVH的應(yīng)用
根據(jù)電驅(qū)動(dòng)橋產(chǎn)品的性能要求，齒輪設(shè)計(jì)的原則是在滿足強(qiáng)度的前提下盡 可能提高NVH性能。
CAE齒輪強(qiáng)度仿真計(jì)算
對一級齒輪使用細(xì)高齒設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行齒輪強(qiáng)度校核。依照ISO 6336:2006標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算齒輪應(yīng)力。按疲勞條件和材料S-N曲線計(jì)算許用應(yīng)力。
如圖所示，齒根彎曲疲勞強(qiáng)度和齒面接觸疲勞強(qiáng)度均滿足要求。
試驗(yàn)驗(yàn)證
(周節(jié)累計(jì)誤差、齒形齒向等誤差相當(dāng)前提下)
一級細(xì)高齒、二級標(biāo)準(zhǔn)齒NVH測試及結(jié)論
搭載了一級細(xì)高齒、二級標(biāo)準(zhǔn)齒輪的電驅(qū)動(dòng)橋產(chǎn)品A，順利通過了齒輪疲勞試驗(yàn)和總 成靜扭試驗(yàn)，驗(yàn)證了齒輪和電驅(qū)動(dòng)橋總成強(qiáng)度設(shè)計(jì)的合理性。產(chǎn)品A安裝到整車進(jìn)行路試，NVH測試數(shù)據(jù)如下：
結(jié)論：
1.二級標(biāo)準(zhǔn)齒輪NVH最高階次噪聲59dB，存在突出峰值，峰值比整車噪聲僅低11dB，對 整車噪聲具有一定的貢獻(xiàn)度。
展開 電機(jī)測試 | 扭矩波動(dòng)的來源和對電機(jī)的影響
雖然這看似并非嚴(yán)重問題，但該波動(dòng)頻率較高，可能導(dǎo)致各種不良后果，包括<strong>可聽見的噪聲</strong>、<strong>結(jié)構(gòu)振動(dòng)</strong>和<strong>齒輪疲勞</strong>。若要減少扭矩波動(dòng)，我們需要了解扭矩波動(dòng)的來源，包括電激勵(lì)、電機(jī)結(jié)構(gòu)、機(jī)械共振、對準(zhǔn)度和負(fù)載。</p><p><br></p><p><img src="https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_png/0dOps7rIddpvKaYr8zQTrpibicxkYbwMLgMCWycrbEmhhv8UibRIsSQS6tib77DiaDwShiaC3TyZEEdDqDdTiaIk8RnmA/640?wx_fmt=png&from=appmsg"></p><p class="ql-align-center"><em>圖1 轉(zhuǎn)矩波動(dòng)示例</em></p><p><br></p><h2><strong>扭矩波動(dòng)的來源和影響</strong></h2><p><strong>電機(jī)電激勵(lì)</strong></p><p>由于電機(jī)的扭矩會(huì)隨電流變化而變化，因此電機(jī)電激勵(lì)會(huì)引發(fā)扭矩波動(dòng)。這里以最極端的例子單相電動(dòng)機(jī)為例，其內(nèi)部存在兩倍于基頻的周期性扭矩和零扭矩。通過增大相位，可以消除零交叉點(diǎn)和波動(dòng)幅度，但由此會(huì)增加頻率。標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)有三個(gè)相，這種設(shè)計(jì)可以有效減少扭矩波動(dòng)，但不會(huì)將其完全消除。</p><p>由于扭矩由正弦激勵(lì)產(chǎn)生，而由該激勵(lì)產(chǎn)生的扭矩波動(dòng)與電信號有著相同頻率，這意味著隨著轉(zhuǎn)速增加，扭矩波動(dòng)的頻率也會(huì)隨之增大。此外，由于激勵(lì)并非完美的正弦波，因此還存在其他扭矩波動(dòng)要素。時(shí)常以高頻率運(yùn)行的逆變器和電機(jī)繞組會(huì)影響電流的分布。因此，這些問題會(huì)引起額外的扭矩波動(dòng)。</p><p><strong>電機(jī)結(jié)構(gòu)</strong></p><p>結(jié)構(gòu)也是影響扭矩波動(dòng)的一個(gè)因素。
展開 
行業(yè)應(yīng)用方案 | 結(jié)構(gòu)耐久性（疲勞）分析
典型應(yīng)用案例
粘接疲勞
焊縫疲勞
電池包振動(dòng)疲勞
齒輪箱體疲勞
歧管多軸疲勞
電動(dòng)工具
來源于：Ansys
行業(yè)應(yīng)用方案 | 結(jié)構(gòu)耐久性（疲勞）分析
典型應(yīng)用案例
粘接疲勞
焊縫疲勞
電池包振動(dòng)疲勞
齒輪箱體疲勞
歧管多軸疲勞
電動(dòng)工具
行業(yè)應(yīng)用方案 | 結(jié)構(gòu)耐久性（疲勞）分析
典型應(yīng)用案例
粘接疲勞
焊縫疲勞
電池包振動(dòng)疲勞
齒輪箱體疲勞
歧管多軸疲勞
電動(dòng)工具
基于RecurDyn的多工況下的尼龍蝸輪疲勞性能研究
［12］ 全國齒輪標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)方法：GB∕T14230-1993［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1993：5-6.National Technical Committee on Gear Standardization.Test method for bending fatigue strength of gears：GB∕T14230-1993［S］.Beijing：China Standard Press，1993：5-6.
［13］ 全國齒輪標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).漸開線圓柱齒輪承載能力計(jì)算方法：GB∕T3480-1997［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1997：8-9.National Technical Committee on Gear Standardization.Calculation method of bearing capacity of involute cylindrical gears：GB∕T3480-1997［S］.Beijing：China Standard Press，1997：8-9.
［14］ 楊新華.疲勞與斷裂［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2018：34-36.YANG Xinhua. Fatigue and fracture［M］.Wuhan：Huazhong Univer?sity of Science and Technology，2018：34-36.
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