起動(dòng)機(jī)嚙合齒輪接觸疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)研究

摘要：嚙合齒輪接觸疲勞強(qiáng)度關(guān)系到起動(dòng)機(jī)的整體使用壽命，對(duì)其試驗(yàn)展開研究具有十分重要的意義。本文以“齒輪接觸疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)方法”為依據(jù)，進(jìn)行了起動(dòng)機(jī)嚙合齒輪接觸疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，并提出了相關(guān)建議，如采用合金鋼、合理的心部硬度、提高表面硬度、提高齒根圓R角、降低齒廓表面粗糙度等措施，以延長(zhǎng)齒輪的使用壽命。

關(guān)鍵詞：起動(dòng)機(jī)；嚙合齒輪；接觸疲勞強(qiáng)度

1前言：

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展以及機(jī)械行業(yè)的不斷進(jìn)步，汽車制造業(yè)得到了迅猛的發(fā)展，對(duì)相關(guān)配件的要求也越來越高。而起動(dòng)機(jī)作為汽車的重要組成部分，關(guān)系到汽車的整體使用性能及安全。其中，嚙合齒輪是起動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵配件，關(guān)系到起動(dòng)機(jī)的使用壽命?；诖耍P者對(duì)起動(dòng)機(jī)嚙合齒輪接觸疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)進(jìn)行了研究。

2 起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪基本參數(shù)

為了滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)力矩和起動(dòng)轉(zhuǎn)速，合理選擇傳動(dòng)比是滿足以上條件的基本要求之一。起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪的齒數(shù)一般為9～14齒，但個(gè)別情況齒數(shù)有少于7齒的，甚至5齒，多的可達(dá)到19齒。文章以某汽車大功率起動(dòng)機(jī)為例，起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪應(yīng)采用漸開線齒形，其齒輪參數(shù)如表1所示。在對(duì)損壞的起動(dòng)機(jī)進(jìn)行解剖分析后發(fā)現(xiàn)很多起動(dòng)機(jī)是由于嚙合齒輪損壞，而造成起動(dòng)機(jī)不能正常工作。

2.1試驗(yàn)依據(jù)

該試驗(yàn)的依據(jù)是“齒輪接觸疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)方法”（GB/T14229-93），該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了測(cè)定漸開線圓柱齒輪接觸疲勞強(qiáng)度的試驗(yàn)方法，以確定齒輪接觸承載能力所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。該標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍包括了起動(dòng)機(jī)嚙合齒輪在內(nèi)的鋼鐵、鑄造鋼等材料的漸開線圓柱齒輪由齒面點(diǎn)蝕損傷而失效的試驗(yàn)。

2.2試驗(yàn)方法

2.2.1多次試驗(yàn)并繪制R-S-N曲線

經(jīng)過多次反復(fù)的試驗(yàn)，對(duì)起動(dòng)機(jī)嚙合齒輪的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，并繪制出R-S-N曲線（可靠度-應(yīng)力-壽命曲線），得出起動(dòng)機(jī)嚙合齒輪的接觸疲勞極限應(yīng)力。試驗(yàn)時(shí)取4～5個(gè)應(yīng)力級(jí)，每個(gè)應(yīng)力級(jí)別不少于3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)（不包括越出點(diǎn)）。最高應(yīng)力有中的各試驗(yàn)點(diǎn)的齒面應(yīng)力循環(huán)次數(shù)不少于10萬次。最高應(yīng)力級(jí)和第二高應(yīng)力級(jí)的應(yīng)力間隔為總試驗(yàn)應(yīng)力范圍的30%～50%，隨著應(yīng)力的降低，應(yīng)力間隔逐漸減少。最低應(yīng)力級(jí)至少有2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)標(biāo)出。

2.2.2通過試驗(yàn)測(cè)定極限應(yīng)力

通過組合試驗(yàn)測(cè)定S-N曲線或僅測(cè)定極限應(yīng)力。試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)點(diǎn)總數(shù)一般為5～10個(gè)。測(cè)定S-N曲線時(shí)，應(yīng)力級(jí)為3～5個(gè)，每個(gè)應(yīng)力級(jí)取1～2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)。測(cè)定極限應(yīng)力時(shí)可采用升降法。采用正交法進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)時(shí)，每個(gè)對(duì)比因素至少有3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)。

2.3起動(dòng)機(jī)嚙合齒輪試驗(yàn)條件及試驗(yàn)齒輪

起動(dòng)機(jī)嚙合齒輪接觸疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)按以下規(guī)定的試驗(yàn)條件和試驗(yàn)齒輪進(jìn)行，并由此可確定起動(dòng)機(jī)嚙合齒輪的接觸疲勞極限應(yīng)力σHlim。

①起動(dòng)機(jī)嚙合齒輪專用試驗(yàn)機(jī)。

起動(dòng)機(jī)嚙合齒輪試驗(yàn)采用“起動(dòng)機(jī)疲勞試驗(yàn)專用試驗(yàn)機(jī)”，試驗(yàn)機(jī)由試驗(yàn)工作臺(tái)、試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)和實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制裝置等組成。試驗(yàn)機(jī)的精度應(yīng)不低于起動(dòng)機(jī)嚙合齒輪所要求的精度，試驗(yàn)機(jī)應(yīng)具有以下基本功能：1）齒輪斷齒或起動(dòng)機(jī)損壞時(shí)自動(dòng)停機(jī)；2）有保證齒輪有效嚙合的裝置；3）有保證齒輪自動(dòng)嚙合和自動(dòng)退出的裝置；4）試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)記錄裝置。

②實(shí)際的起動(dòng)機(jī)嚙合齒輪作為試驗(yàn)樣本。

在本試驗(yàn)中，供作試驗(yàn)用的齒輪是起動(dòng)機(jī)專用齒輪，且與起動(dòng)機(jī)作為一個(gè)整體進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。與起動(dòng)機(jī)嚙合齒輪嚙合的是試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)的飛輪，設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷為正常啟動(dòng)負(fù)荷的1.5-2倍。

2.4接觸疲勞失效判據(jù)

2.4.1起動(dòng)機(jī)嚙合齒輪失效判別方法

起動(dòng)機(jī)嚙合齒輪接觸疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)是以齒面點(diǎn)蝕損傷程度作為接觸疲勞失效的判據(jù)。判別方法有以下兩種：

①單齒點(diǎn)蝕面積率RS=AS/ASW（1）

式中：RS———單齒點(diǎn)蝕面積率，%；

AS———起動(dòng)機(jī)嚙合齒輪單個(gè)齒面上點(diǎn)蝕面積之和，單位mm2；

ASW———起動(dòng)機(jī)嚙合齒輪單個(gè)齒面的工作表面積，單位mm2。

②齒輪副點(diǎn)蝕面積率RT=A1T/A1TW+A2T/A2TW（2）

式中：RT———齒輪副點(diǎn)蝕面積率，%；

A1T———起動(dòng)機(jī)嚙合齒輪副主動(dòng)輪全部點(diǎn)蝕面積之和，單位mm2；

A2T———起動(dòng)機(jī)嚙合齒輪副被動(dòng)輪全部點(diǎn)蝕面積之和，單位mm2；

A1TW———起動(dòng)機(jī)嚙合齒輪副主動(dòng)輪各齒工作表面積之和，單位mm2；

A2TW———起動(dòng)機(jī)嚙合齒輪副被動(dòng)輪各齒工作表面積之和，單位mm2。

2.4.2起動(dòng)機(jī)嚙合齒輪失效判別準(zhǔn)則

起動(dòng)機(jī)嚙合齒輪是非表面硬化齒輪，點(diǎn)蝕一般總是在所有齒面上出現(xiàn)。當(dāng)起動(dòng)機(jī)嚙合齒輪副的硬度相等或相近時(shí)，它們的點(diǎn)蝕損傷極限為：RT=2%（3）當(dāng)起動(dòng)機(jī)嚙合齒輪齒輪副點(diǎn)蝕面積率達(dá)到式（3）的點(diǎn)蝕損傷極限時(shí)，即判定該齒面失效。

2.5起動(dòng)機(jī)嚙合齒輪疲勞試驗(yàn)

試驗(yàn)操作過程如下：①將試驗(yàn)用起動(dòng)機(jī)安裝在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，發(fā)動(dòng)機(jī)配置可調(diào)式負(fù)載箱。②啟動(dòng)起動(dòng)機(jī)，起動(dòng)機(jī)與飛輪嚙合并啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，可強(qiáng)制風(fēng)冷起動(dòng)機(jī)外部，以防起動(dòng)機(jī)過熱損壞。③發(fā)動(dòng)機(jī)工作5s后起動(dòng)機(jī)停止工作，關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，完成一次啟動(dòng)操作。④停止25s后，重新啟動(dòng)起動(dòng)機(jī)，反復(fù)進(jìn)行以上試驗(yàn)。

2.6起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)

齒輪疲勞損壞的危險(xiǎn)位置本試驗(yàn)對(duì)起動(dòng)機(jī)嚙合齒輪在相應(yīng)工作負(fù)荷條件下，發(fā)生在齒根處殘余應(yīng)力的變化情況進(jìn)行了研究，彎曲疲勞試驗(yàn)在一定的循環(huán)次數(shù)時(shí)停止，測(cè)定殘余應(yīng)力，測(cè)定位置“ρ”在齒輪斷面的危險(xiǎn)截面和齒形曲線的交叉點(diǎn)上（如圖1）。

3.試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1疲勞試驗(yàn)結(jié)果

疲勞試驗(yàn)需要反復(fù)循環(huán)進(jìn)行，并在完成一定次數(shù)試驗(yàn)后，停止循環(huán)，在危險(xiǎn)斷面和齒形曲線的交叉點(diǎn)附近測(cè)定齒跟圓柱切線方向的殘余應(yīng)力，同時(shí)觀察齒跟處和端面組織變化的，結(jié)果顯示在壓縮側(cè)分別出現(xiàn)晶格滑移帶的出現(xiàn)期和裂紋產(chǎn)生期，一定循環(huán)次數(shù)后按照標(biāo)準(zhǔn)判斷為失效。

如圖2所示是負(fù)荷P=400kg時(shí)，殘余應(yīng)力與循環(huán)次數(shù)關(guān)系圖。從圖3中可以看出在幾次循環(huán)之后產(chǎn)生殘余應(yīng)力，隨后殘余應(yīng)力隨著循環(huán)次數(shù)增加而增加，并逐漸趨于穩(wěn)定，在6萬次循環(huán)附近發(fā)生反轉(zhuǎn)，隨后殘余應(yīng)力在減少，因此可以看出此時(shí)齒面金屬組織正在發(fā)生微觀的變化。

3.2結(jié)論

通過大量試驗(yàn)結(jié)果分析和齒輪疲勞破壞機(jī)理的研究，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

①負(fù)荷大于疲勞極限時(shí)，起動(dòng)機(jī)嚙合齒輪壓縮側(cè)發(fā)生晶格滑移帶和出現(xiàn)裂痕都比較早，疲勞破壞主要是表面裂痕破壞，而不是斷裂破壞。發(fā)生起動(dòng)機(jī)嚙合齒輪破壞的重要原因是起動(dòng)機(jī)過載，起動(dòng)機(jī)經(jīng)常過載會(huì)大大降低起動(dòng)機(jī)的使用壽命。

②當(dāng)齒輪出現(xiàn)交替載荷時(shí)，起動(dòng)機(jī)嚙合齒輪壓縮側(cè)發(fā)生晶格滑移帶和出現(xiàn)裂痕都大大提前。出現(xiàn)交替載荷的原因是發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)起動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。造成這種情況的原因主要由兩個(gè)方面，一是起動(dòng)機(jī)單向離合器損壞，二是發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后長(zhǎng)時(shí)間不關(guān)閉啟動(dòng)開關(guān)（點(diǎn)火開關(guān)）。

③由于起動(dòng)機(jī)工作的特點(diǎn)和載荷的不確定性，起動(dòng)機(jī)嚙合齒輪的實(shí)際壽命往往大大低于齒輪的疲勞試驗(yàn)壽命。本次試驗(yàn)對(duì)此進(jìn)行了改進(jìn)，但是準(zhǔn)確地判斷起動(dòng)機(jī)嚙合齒輪壽命仍有一定的難度。通過大量試驗(yàn)分析，建議齒輪壽命確定在殘余應(yīng)力發(fā)生拐點(diǎn)的次數(shù)，如圖2所示的6萬次左右。

④增加起動(dòng)機(jī)嚙合齒輪強(qiáng)度和表面硬度可以大大增加齒輪的使用壽命，建議起動(dòng)機(jī)嚙合齒輪采用合金鋼，如20Cr2Ni4A、20CrMnTi、18CrNiMo，并進(jìn)行更有效的熱處理方式，保證齒輪心部硬度和表面硬度，以提高起動(dòng)機(jī)嚙合齒輪的壽命。

⑤根據(jù)實(shí)際嚙合中心距等等的條件，適當(dāng)增加起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪的齒根圓R角，減少根切現(xiàn)象，這樣可以延長(zhǎng)齒輪的使用壽命。

⑥降低齒廓表面粗糙度，可以提高起動(dòng)機(jī)嚙合齒輪的壽命。

4.結(jié)語

綜上所述，起動(dòng)機(jī)嚙合齒輪是汽車起動(dòng)機(jī)的重要配件之一，其損壞會(huì)對(duì)起動(dòng)機(jī)的使用壽命產(chǎn)生巨大的影響。因此，需要對(duì)起動(dòng)機(jī)嚙合齒輪進(jìn)行接觸疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)，并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，采取有效的措施降低起動(dòng)機(jī)嚙合齒輪的損壞，從而提高起動(dòng)機(jī)的使用壽命。

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作者簡(jiǎn)介：

謝德生，男，1967年生，廣東梅州人，大學(xué)?？?，工程師。研究領(lǐng)域：質(zhì)量改進(jìn)和質(zhì)量管理。