噴油潤滑聚醚醚酮的接觸疲勞性能

吳若 魏沛堂 謝懷杰 邊疆 盧澤華 劉懷舉

摘要 ： 聚醚醚酮（PEEK）是一種高強度、耐熱的工程塑料，但其接觸疲勞基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的缺失制約了它在重載場合下的高可靠、長壽命服役。開展了噴油潤滑下的PEEK滾子滾動接觸疲勞試驗與PEEK齒輪接觸疲勞試驗，繪制了接觸疲勞 S-N 曲線。對比發(fā)現(xiàn)，PEEK滾子滾動接觸疲勞極限比齒輪接觸疲勞極限高14%，接觸壓力135 MPa下的滾子滾動接觸疲勞壽命比齒輪接觸疲勞壽命長58%，進而提出PEEK的滾子 齒輪接觸疲勞壽命轉(zhuǎn)換公式。

關(guān)鍵詞 ：聚醚醚酮；齒輪；滾子；接觸疲勞；應(yīng)力 壽命曲線

中圖分類號 ：TH132.41

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2024.02.005

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Contact Fatigue Performance of PEEK under

Oil-injected Lubrication

WU Ruo 1 WEI Peitang 1 XIE Huaijie 2 BIAN Jiang 2 LU Zehua 1 LIU Huaiju 1

1.State Key Laboratory of Mechanical Transmission，Chongqing University，Chongqing，400044

2.Jilin Joinature Polymer Co.，Ltd.，Changchun，130113

Abstract ： PEEK was a high-strength， heat-resistant engineering polymer， but the absence of basic data of PEEK contact fatigue restricted the reliable and long-life applications under heavy-duty conditions. PEEK rolling contact fatigue tests and gear contact fatigue tests under oil injection lubrication were conducted herein， and the ?S-N ?curves were obtained. It is found that the PEEK rolling contact fatigue limit is 14% higher than gear contact fatigue limit， and the rolling contact fatigue life of rollers under the contact pressure of 135 MPa is 58% higher than gear fatigue life. And then， the conversion formula of PEEK roller-gear contact fatigue life was further proposed.

Key words ： polyether ether ketone（PEEK）； gear； roller； contact fatigue； S-N curve

0 引言

塑料齒輪具有質(zhì)量小、耐磨損、成本低、噪聲小等優(yōu)勢，廣泛用于航空、汽車、醫(yī)療、智能家居等領(lǐng)域，并呈現(xiàn)出明顯的“以塑代鋼”趨勢 ?［1-3］ 。近20年來，隨著高強度、高耐熱的工程塑料的涌現(xiàn)，以及注塑工藝的成熟，塑料齒輪朝著更高功率、更大扭矩方向發(fā)展 ?［4］ 。部分場合下，聚醚醚酮（polyether ether ketone，PEEK）能滿足承載零部件長壽命、高可靠服役的需求。

PEEK齒輪在不同潤滑工況下的失效形式和承載能力有顯著區(qū)別。KUROKAWA等 ?［5］ 開展了干接觸和脂潤滑的PEEK齒輪耐久試驗，發(fā)現(xiàn)PEEK在高溫環(huán)境下依然表現(xiàn)出了良好的耐磨性能。DEARN等 ?［6-7］ 將PEEK齒輪用于小型汽車減速器，研究了干膜潤滑劑對PEEK齒輪耐磨性能的影響。ZORKO等 ?［8］ 測試了干接觸和脂潤滑的鋼-PEEK齒輪的耐久壽命，發(fā)現(xiàn)脂潤滑可降低PEEK輪齒的溫度，延長服役壽命。相比于干接觸/脂潤滑的PEEK齒輪，油潤滑下PEEK齒輪能滿足動力傳遞領(lǐng)域的需求。ILLENBERGER等 ?［9］ 開展了油潤滑鋼-PEEK配對齒輪的承載試驗，發(fā)現(xiàn)油潤滑PEEK齒輪出現(xiàn)點蝕破壞，并探究了PEEK齒輪點蝕損傷的演化規(guī)律。LU等 ?［10］ 通過試驗發(fā)現(xiàn)，隨著載荷增大，油潤滑的PEEK齒輪失效模式發(fā)生改變：在輕載和中載下出現(xiàn)點蝕損傷，在重載下傾向發(fā)生齒根斷裂。ILLENBERGER等 ?［11］ 發(fā)現(xiàn)油潤滑的PEEK齒輪可在120 °C下正常運行。上述研究表明PEEK具有用于齒輪動力傳遞的潛力，但PEEK齒輪接觸疲勞試驗數(shù)據(jù)的缺失導(dǎo)致無法沿用金屬齒輪的強度設(shè)計方法，這限制了PEEK齒輪在動力傳遞領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。

齒輪接觸疲勞試驗成本高、周期長，因此可將齒輪運轉(zhuǎn)試驗簡化為滾動件徑向?qū)L試驗，通過調(diào)整試驗中滾子的相對速度、滑滾比和載荷，近似模擬齒輪的滑滾接觸疲勞行為 ?［12］ 。由滾動接觸疲勞試驗?zāi)M齒輪接觸疲勞已被國際標準ISO 6336-2和國家標準GB/T 3480.2所采納。HOSKINS等 ?［13］ ?通過兩個PEEK滾子對滾來模擬聚合物齒輪齒廓節(jié)點區(qū)域的摩擦磨損行為，發(fā)現(xiàn)PEEK滾子能在低負載和高負載下以低滑動比運行，且耐磨性能隨著滑移率的增大而降低。AVANZINI等 ?［14］ 開展了PEEK復(fù)合材料的滾動接觸疲勞試驗，發(fā)現(xiàn)純料PEEK滾子出現(xiàn)微點蝕，碳纖強化PEEK滾子出現(xiàn)分層和剝落。聚合物齒輪服役性能受溫度、載荷、應(yīng)變率、濕度等環(huán)境因素綜合影響，接觸疲勞失效機理復(fù)雜，因此齒輪與等效滾子接觸疲勞失效之間的關(guān)聯(lián)規(guī)律 不明。

本文針對PEEK滾動接觸疲勞與齒輪接觸疲勞失效之間關(guān)聯(lián)規(guī)律不明的問題，開展了油潤滑PEEK滾動接觸疲勞試驗和齒輪接觸疲勞試驗研究，獲得了噴油潤滑下的PEEK滾動接觸疲勞和齒輪接觸疲勞 S-N 曲線，評估了由滾子接觸疲勞試驗預(yù)測齒輪接觸疲勞性能的可行性，并探索了兩者的壽命轉(zhuǎn)換公式。

1 疲勞試驗方法

1.1 試驗樣件

為獲取齒輪接觸疲勞性能與滾子滾動接觸疲勞性能的轉(zhuǎn)化關(guān)系，進行了兩種疲勞試驗。滾子與齒輪的接觸疲勞試驗均采用鋼-PEEK配合，主試件為PEEK 770G，材料性能如表1所示。陪（副）試件材料為AISI 9310航空齒輪鋼，該材料具有高硬度和高疲勞強度，可視為具有無限的接觸疲勞壽命。

滾子試驗采用主試件與陪試件線接觸徑向?qū)L的方式。鋼制滾子直徑為80 mm，采用磨削加工，表面粗糙度 Sa 為0.61 μm。PEEK滾子主體部分的直徑為56 mm，試驗區(qū)域圓面的直徑為60 mm，試驗區(qū)域?qū)挾葹? mm，采用切削加工，表面粗糙度 Sa 為4.0 μm，如圖1a所示。

試驗齒輪均為圓柱直齒輪，為保證失效形式可控，設(shè)計試驗齒輪的最大滑移率小于1。鋼制齒輪采用磨削加工，齒輪精度為國標5級，表面粗糙度 Sa 為0.61 μm。PEEK齒輪采用滾齒加工，齒輪精度為國標10級，表面粗糙度 Sa 為4.0 μm，如圖1b所示。表2為齒輪接觸疲勞主副試件參數(shù)表。

1.2 試樣表征方法

為避免結(jié)晶度差異對PEEK接觸疲勞性能的影響 ?［15］ ，利用低溫差示掃描量熱儀檢測PEEK材料在試驗前后的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和結(jié)晶度。

接觸疲勞性能與表面形貌特征及潤滑狀態(tài)緊密相關(guān)，表面粗糙度對接觸疲勞性能有極大的影響 ?［16］ ，為保證滾子與齒輪接觸疲勞的一致性，試驗前后對試件進行表面粗糙度檢測。PEEK試件在超聲波清洗15 min后氮氣干燥， 利用白光干涉儀（MFT-5000白光干涉檢測模塊）對試驗前后PEEK滾子和齒輪試件表面粗糙度 Sa 進行表征。

試驗結(jié)束后，利用掃描電子顯微鏡（SEM），對接觸疲勞滾子試樣剝落坑和齒輪點蝕坑進行表征，分析不同試件疲勞失效微觀形貌的區(qū)別，探索PEEK接觸疲勞點蝕的演變過程，以及內(nèi)部裂紋的擴展機理。

1.3 試驗方法

油潤滑PEEK滾子和齒輪的接觸疲勞試驗均采用多用途傳動摩擦學(xué)試驗臺，如圖2所示。該試驗臺由2個主軸箱、2個驅(qū)動電機、導(dǎo)軌和監(jiān)測系統(tǒng)等組成。主動輪主軸箱可沿導(dǎo)軌移動來調(diào)整齒輪中心距，移動精度可達1 μm。該試驗臺可實現(xiàn)油溫和扭矩的實時監(jiān)測與記錄，同時通過實時監(jiān)控振動信號實現(xiàn)自動停機。

試驗選用的潤滑油為極壓潤滑油，牌號為MOBILGEAR SHC 627，黏度等級為VG 100，潤滑油參數(shù)的主要參數(shù)如表3所示。試驗采用噴油潤滑，為確保試件之間的良好潤滑狀態(tài)，噴油量為（0.6±0.2）L/min，以連續(xù)供油方式直接對嚙合區(qū)域進行潤滑。

滾子接觸疲勞試驗設(shè)置的載荷即徑向加載力為0.4，0.6，0.7，0.8 kN，齒輪接觸疲勞試驗設(shè)置的載荷即輸出扭矩為40，60，80，100 N·m。每個應(yīng)力水平下至少開展2組試驗，總的試驗數(shù)據(jù)共計20組。試驗前，先對PEEK滾子和齒輪進行超聲波清洗，清洗后的滾子和齒輪在標準環(huán)境（溫度為（23±2） ℃，環(huán)境濕度為（50±5）%）靜置88 h后開展接觸疲勞試驗。試驗時，通過紅外熱成像儀（Fotric， 238） 監(jiān)測運轉(zhuǎn)過程中滾子和齒輪的運行溫度，每隔10 5次循環(huán)記錄一次試驗件接觸點和出油口的溫度，以每次記錄的3個溫度的平均值作為該時刻的穩(wěn)定溫度。 對于PEEK材料溫度測量，熱成像儀發(fā)射率 ε 設(shè)為0.95 ?［8］ 。試驗件失效后，記錄試驗點的失效形式和循環(huán)壽命。

1.4 PEEK滾子與齒輪接觸應(yīng)力計算方法

依據(jù)金屬材料滾動接觸疲勞試驗方法YB/T 5345—2014 ?［17］ 可得試件滾動接觸壓力的計算 公式 ：

σ ?H = ?Fρ ??sum ???π L（ 1－ν 2 1 E 1 + 1－ν 2 2 E 2 ） ????（1）

ρ ??sum ?=ρ ?11 +ρ ?12 +ρ ?21 +ρ ?22 = 1 R ?11 ?+ 1 R ?12 ?+ 1 R ?21 ?+ 1 R ?22 ???（2）

式中，σ ?H 為接觸應(yīng)力， MPa ；ρ ??sum ?為主試件、陪試件的主曲率之和， mm ??-1 ；F為加載在試件上的徑向力， N ；ν 1、ν 2分別為主試件和陪試件的泊松比；E 1、E 2分別為主試件和陪試件的彈性模量， MPa ；L為主試樣接觸長度， mm ；R ?11 為 PEEK 主試件垂直于滾動方向的曲率半徑， mm ；R ?12 為 PEEK 主試件沿滾動方向的曲率半徑， mm ；R ?21 為陪試件垂直于滾動方向的曲率半徑， mm ；R ?22 為陪試件沿滾動方向的曲率半徑， mm 。

經(jīng)計算，0.4，0.6，0.7，0.8 kN的PEEK滾動件接觸應(yīng)力分別為102，125，135，144.4 MPa。為模擬齒輪嚙合狀態(tài)，試驗過程中的滑差率選取10%，陪試件轉(zhuǎn)速設(shè)置為1000 r/min，主試件轉(zhuǎn)速為1100 r/min。

根據(jù)塑料齒輪強度推薦手冊VDI 2736 Blatt 2—2014 ?［18］ ，按下式計算試驗塑料齒輪的接觸 應(yīng)力：

σ ?H =Z ?E Z ?H Z εZ β ?F ?t K ?H ?b ?w d 1 ?u+1 u ?≤σ ??HP ?= σ ??H，limN ?Z ?R ?S ??H，min ???（3）

式中，Z ?E 為彈性系數(shù)，取38.18；Z ?H 為區(qū)域系數(shù)，取2.131；Z ε為重合度系數(shù)，取0.964；Z β為螺旋角系數(shù)，取1；K ?H 為齒面載荷系數(shù)，取1.25;b ?w 為公共面寬度；d 1為小齒輪直徑;F ?t 為標稱切向力；G ??HP ?為允許的牙側(cè)壓力；σ ??H，limN ?為滾動接觸疲勞強度；Z ?R 為表面粗糙因數(shù)；S ??H，min ?為最小要求安全 因數(shù)。

經(jīng)計算，40，60，80，100 N·m下PEEK齒輪的齒面接觸應(yīng)力分別為81.2，99.4，114.8，128.4 MPa，齒輪運轉(zhuǎn)過程中，輸入轉(zhuǎn)速保持為1000 r/min。

為研究PEEK材料的接觸疲勞性能，測試實驗前后PEEK表面形貌和結(jié)晶度的變化。通過低溫差示掃描量熱儀測量了PEEK材料的結(jié)晶度和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，并通過掃描電子顯微鏡（SEM）和光干涉儀（Rtec，MFT-5000）測量了齒輪和滾子失效區(qū)域表面微觀形貌。一旦齒輪（滾子）出現(xiàn)接觸疲勞失效或發(fā)生其他失效，測試自動停止。試驗技術(shù)路線如圖3所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 表征測試結(jié)果

如圖4所示， 試驗過程中，滾子和齒輪嚙合區(qū)的溫度明顯高于其他區(qū)域，金屬滾子（齒輪）溫度高于PEEK滾子（齒輪）溫度。由于金屬熱導(dǎo)率高，運行過程中產(chǎn)生的摩擦熱可以有效傳遞到PEEK 滾子（齒輪）上，因此主試件溫度分布較為均勻。

表4所示為不同載荷下齒輪和滾子出油口油液溫度，油溫穩(wěn)定在（32±2）℃，說明載荷對油潤滑PEEK齒輪和滾子溫度的影響可以忽略不計。

圖5所示為接觸疲勞試驗前后PEEK滾子和齒輪的差示掃描量熱（differential scanning calorimetry，DSC）曲線，可知，失效前后滾子和齒輪的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度基本保持一致，約為150 ℃。DSC法測量材料的結(jié)晶度公式為 ?［19］

W ??C，X ?= ?Δ H ?Δ H 0 ?m ???（4）

式中，W ??C，X ?為聚合物結(jié)晶度; Δ H、 Δ H 0 ?m 分別為部分結(jié)晶樣品的熔融焓和100 % 結(jié)晶度樣品的熔融焓。

DSC曲線中，熔融峰的積分面積即為部分結(jié)晶聚合物的熔融焓，100%結(jié)晶PEEK聚合物的熔融焓Δ H ?0 m=130 J/g ?［20］ 。 計算得到試驗前滾子與齒輪的PEEK材料結(jié)晶度分別為36.14%和34.94%，滾子與齒輪的PEEK玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和結(jié)晶度幾乎相同，說明滾子與齒輪試驗件材料的一致性。失效后，滾子與齒輪的PEEK結(jié)晶度分別為34.47%和34.77%， 說明試驗件是否發(fā)生失效并不會明顯影響PEEK的結(jié)晶度。

基于白光干涉儀對接觸疲勞試驗前后試件表面微觀形貌特征進行表征，其中，圖6所示為PEEK滾子在0.6 kN載荷、1000 r/min轉(zhuǎn)速、噴油潤滑條件下接觸疲勞試驗前后的表面粗糙度，圖7所示為PEEK齒輪在80 N·m輸出扭矩、1000 r/min輸入轉(zhuǎn)速、噴油潤滑條件下接觸疲勞試驗前后的表面粗糙度。PEEK滾子車削加工后的平均表面粗糙度 Sa 為4.00 μm，PEEK齒輪切齒加工后的平均表面粗糙度 Sa 為4.00 μm。試驗滾子與齒輪的表面均殘余沿切削方向的加工痕跡，滾子和齒輪試樣的平均表面粗糙度 Sa 幾乎相同（在分散范圍內(nèi)）。失效后的滾子表面粗糙度 Sa 的平均值為3.92 μm，失效后的齒面粗糙度 Sa 的平均值為3.95 μm， 與耐久試驗前對比，兩者的表面粗糙度變化不大。試驗后，加工痕跡淡化，出現(xiàn)沿運轉(zhuǎn)方向的輕微擦傷。總體而言，潤滑狀態(tài)下，接觸疲勞試驗前后的試件表面微觀形貌較為完整，潤滑油對接觸表面起到了良好的保護作用。

2.2 失效形式與失效機理

塑料齒輪的應(yīng)用領(lǐng)域已延伸至動力傳遞，為保證齒輪的服役性能，齒面潤滑是必不可少的。齒面失效形式的研究表明，潤滑油膜的存在及厚度直接影響傳動件的承載能力和使用壽命。齒輪/滾子嚙合處任意位置的最小油膜厚度的計算公式為

H ??min ?=2.65α ?0.53 （η 0U） ?0.75 R ?0.41 （E′） ?-0.06 W ?-0.16 ??（5）

1 E′ = 1 2 （ 1－ν 2 1 E 1 + 1－ν 2 2 E 2 ）

式中，H ??min ?為兩滑動粗糙表面間的最小公稱油膜厚度；α為潤滑油的黏壓系數(shù)；η 0為潤滑油的環(huán)境黏度；U為兩接觸表面沿相對運動方向的平均速度；R為接觸點的綜合曲率半徑；E′為當(dāng)量彈性模量；W為單位接觸寬度上的載荷。

計算得到：0.6 kN（赫茲接觸壓力125 MPa）下的滾子最小油膜厚度為4.83 μm，100 N·m（赫茲接觸壓力128.4 MPa）下的齒輪節(jié)點處最小油膜厚度為5.19 μm，在相同接觸壓力水平下，兩者最小油膜厚度相當(dāng)。

齒輪和滾子的潤滑狀態(tài)可用膜厚比λ

λ= H ??min ??σ ??（6）

σ= （Rq 1） 2+（Rq 2） 2

式中，σ為兩齒輪齒面的綜合粗糙度；Rq 1、Rq 2分別為兩表面形貌輪廓的均方根偏差。

λ≤1，潤滑狀態(tài)處于邊界潤滑狀態(tài)；1＜λ≤3，潤滑狀態(tài)處于混合潤滑狀態(tài)；λ＞3，潤滑狀態(tài)處于流體潤滑狀態(tài)。

計算得到：0.6 kN（赫茲接觸壓力125 MPa）下的滾子膜厚比為1.193，100 N·m（赫茲接觸壓力128.4 MPa）下的齒輪節(jié)點處膜厚比為1.284，均處于混合潤滑狀態(tài)。

圖8所示為PEEK的滾動接觸疲勞失效形貌。失效主要表現(xiàn)為出現(xiàn)大塊的扇型剝落坑，其形成原因為受接觸應(yīng)力影響的次表面區(qū)域附近產(chǎn)生疲勞裂紋，?疲勞裂紋分叉并擴展到滾子表面，導(dǎo)致材料的大塊剝落，形成不同大小的凹坑 ?［21］ 。

圖9所示為PEEK滾動接觸疲勞的非典型失效形貌， 失效表現(xiàn)為滾子表面萌生的疲勞裂紋向平行于臺階方向擴展，形成一圈連續(xù)的微小裂痕。

圖10所示為不同輸出扭矩下PEEK齒輪的接觸疲勞失效形貌，其失效方式為齒面節(jié)線區(qū)域的點蝕和剝落。

圖11所示為SEM獲得的滾子（徑向加載力0.6 kN）剝落坑處微觀形貌特征，可以看到滾子有兩條沿不同方向擴展的疲勞裂紋，一條裂紋以與表面平行的方向擴展，另一條裂紋與表面成60°角向材料內(nèi)部擴展，此裂紋是導(dǎo)致剝落坑形成的重要原因。

圖12所示為SEM獲得的非典型滾子（徑向加載力0.8 kN）點蝕失效的微觀形貌，可以看到疲勞裂紋在滾子表面萌生，并沿滾動方向擴展，導(dǎo)致滾子表面并未形成大的剝落坑。非典型滾子點蝕失效原因推測為材料表面存在的劃痕、夾雜物或粗糙接觸。高載荷下，滾子表面出現(xiàn)應(yīng)力集中，導(dǎo)致滾子工作表面出現(xiàn)微點蝕。運轉(zhuǎn)過程中，表面裂紋沿滾動方向擴展，呈現(xiàn)出連續(xù)的微小裂痕。

圖13所示為SEM獲得的齒輪（輸出轉(zhuǎn)矩40 N·m）點蝕失效處微觀形貌，可看到齒輪點蝕坑底有向內(nèi)部擴展的裂紋。齒輪節(jié)線處的次表層是齒輪齒面最容易產(chǎn)生疲勞裂紋的位置 ?［22］ ，初始裂紋在次表層形成后向齒輪齒面和內(nèi)部擴展。裂紋相互匯集或擴展至齒面時裂紋生長停止，導(dǎo)致剝落和分層 ?［21］ 。

2.3 噴油潤滑下接觸疲勞壽命對比

齒輪樣品制造工藝復(fù)雜、測試時間長，因此開展齒輪試驗的成本高。由滾子疲勞試驗預(yù)測齒輪疲勞壽命已成為一種可行的解決方案 ?［23-24］ 。為更好地反映PEEK滾動接觸疲勞與齒輪接觸疲勞壽命的關(guān)系，在等接觸應(yīng)力下尋找PEEK的滾子接觸疲勞壽命與齒輪接觸疲勞壽命的轉(zhuǎn)換 關(guān)系。

工程常采用Basquin方程描述材料的疲勞 性能：

σ m ?H N ?f =C ?（7）

式中，σ ?H 為接觸應(yīng)力幅值；N ?f 為疲勞壽命；m、C為材料待定常數(shù)。

根據(jù)各應(yīng)力水平下的對數(shù)壽命均值，由最小二乘法擬合的存活率為50%的滾動接觸疲勞 S-N 曲線方程為

lg ?σ ??H 1 =2.9187-0.1286 lg ?N ??f 1 ??（8）

同樣得到齒輪接觸疲勞中值S-N曲線方程為

lg ?σ ??H 2 =3.2328-0.1855 lg ?N ??f 2 ??（9）

式中，σ ??H 1 、σ ??H 2 分別為滾子和齒輪的接觸壓力；N ??f 1 、N ??f 2 分別為滾子和齒輪的接觸疲勞壽命。

基于PEEK滾子和PEEK齒輪的疲勞數(shù)據(jù)，繪制PEEK滾子與齒輪在50%可靠度下的接觸疲勞 S-N 曲線，如圖14所示。油潤滑條件下，PEEK滾子接觸疲勞壽命集中在10 5～10 8內(nèi)，接觸應(yīng)力在100～150 MPa之間。油潤滑條件下，PEEK試驗齒輪接觸疲勞壽命集中在10 6～10 7內(nèi)，接觸應(yīng)力在80～130 MPa之間。

對比圖14中的兩條 S-N 曲線可發(fā)現(xiàn)，同等載荷級下，PEEK滾子的接觸疲勞壽命比PEEK齒輪略長，且差異隨載荷增大而縮小。載荷循環(huán)基數(shù)為5×10 6時，PEEK齒輪的接觸疲勞強度極限約為99 MPa，PEEK滾子的接觸疲勞強度極限約為113 MPa，比齒輪的接觸疲勞極限高14%。高載荷（135 MPa赫茲接觸壓力）下，滾子的接觸疲勞壽命較齒輪長58%；低載荷（100 MPa赫茲接觸壓力）下，滾子的接觸疲勞壽命較齒輪長151%。滾子滾動接觸疲勞壽命長的原因可能是，齒輪傳動過程中的單雙齒嚙合區(qū)域交替導(dǎo)致傳動平穩(wěn)性不如滾子試件 ?［25］ 。

PEEK滾子與PEEK齒輪的接觸疲勞壽命差異隨載荷增大而縮小，且兩者疲勞壽命的差值與載荷的大小呈強相關(guān)性，本文提出滾子 齒輪接觸疲勞壽命轉(zhuǎn)換的經(jīng)驗公式：

lg ?N ??f 2 - lg ?N ??f 1 =k lg ?σ ?H ?+b ?（10）

其中，k、b為疲勞壽命的轉(zhuǎn)換系數(shù)。通過 PEEK 滾子和齒輪的S-N曲線擬合式（8）、式（9），推導(dǎo)得到k=2.39，b=-5.27。

在載荷0.6，0.7，0.8 kN下進行4組滾動接觸疲勞試驗，通過滾子 齒輪接觸疲勞壽命轉(zhuǎn)換公式預(yù)測齒輪疲勞壽命數(shù)據(jù)點，驗證轉(zhuǎn)換公式的準確性。繪制PEEK齒輪接觸疲勞 S-N 曲線，以及預(yù)測的齒輪疲勞壽命數(shù)據(jù)點，如圖15所示，所有預(yù)測疲勞壽命點均在試驗接觸疲勞壽命的1.5倍分散帶內(nèi)。總體而言，采用滾子 齒輪接觸疲勞壽 命轉(zhuǎn)換經(jīng)驗公式可以較為準確地預(yù)測齒輪的接觸疲勞壽命。通過本文的壽命轉(zhuǎn)換公式可以不進行PEEK齒輪臺架試驗而獲得較為準確的PEEK齒輪接觸疲勞壽命，降低了測試成本，縮短了試驗周期，具有一定的工程參考意義。

3 結(jié)論

（1） 采用滾子試驗評估齒輪的接觸疲勞極限存在一定的誤差，載荷循環(huán)基數(shù)為5×10 6時，PEEK滾子的滾動接觸疲勞極限比齒輪的接觸疲勞極限高14%。

（2）載荷相同時，PEEK滾子的滾動接觸疲勞壽命比PEEK齒輪的接觸疲勞壽命長，且差異隨載荷的增大而減小。高載荷（135 MPa赫茲接觸壓力）下，滾子的接觸疲勞壽命較齒輪的接觸疲勞壽命長58%；中等載荷（100 MPa赫茲接觸壓力）下，滾子的接觸疲勞壽命較齒輪的接觸疲勞壽命長151%。

（3）通過對比PEEK滾子與齒輪的接觸疲勞 S-N 曲線的差異性，評估了由滾子接觸疲勞試驗預(yù)測齒輪接觸疲勞壽命的可行性，并給出了滾子 齒輪接觸疲勞壽命轉(zhuǎn)換經(jīng)驗公式。該公式的預(yù)測精度滿足工程要求，并減少了測試成本，縮短了試驗周期。

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（ 編輯 張 洋 ）

作者簡介 ：

吳 若 ，男，2000年生，碩士研究生。研究方向為高性能聚合物齒輪服役性能。發(fā)表論文2篇。E-mail：Wuruo@cqu.edu.cn。

魏沛堂 （通信作者），男，1984年生，副教授、博士研究生導(dǎo)師。研究方向為高性能齒輪抗疲勞設(shè)計制造、智能精密重載絲杠傳動。發(fā)表論文70余篇。E-mail：peitangwei@cqu.edu.cn。