GB-T 14229-2021 齒輪接觸疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)方法

代替GB/T14229—1993齒輪接觸疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)方法國家市場監(jiān)督管理總局國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)I Ⅲ 12規(guī)范性引用文件 1 1 3 4 4 4 56試驗(yàn)方法 5 5 66.3少點(diǎn)組合法 6 7 86.6其他方法 86.7試驗(yàn)方法的比較 8 97.1試驗(yàn)機(jī) 97.2試驗(yàn)齒輪 8.1判別方法 8.2判別準(zhǔn)則 9試驗(yàn)程序 9.2預(yù)備試驗(yàn) 9.3正式試驗(yàn) 9.4試驗(yàn)點(diǎn)的補(bǔ)充與剔除 9.5失效分析 10.3階梯增載法 附錄A(資料性)考慮置信度的統(tǒng)計(jì)處理方法 Ⅱ附錄B(資料性)常規(guī)成組法數(shù)據(jù)處理的算例 20附錄C(資料性)升降變載法數(shù)據(jù)處理的算例 25附錄D(資料性)階梯增載法數(shù)據(jù)處理的算例 27 29Ⅲb)更改了第2章中規(guī)范性引用文件(見第2章，1993年版的第2章);c)更改了表1中的部分代號(見表1,1993年版的表1);第4章和第5章);e)在第6章中納入了原文件第8章的內(nèi)容(見第6章，1993年版的第8章);充與剔除”(見第7章～第10章和9.4,1993年版的第5章～第7章和第9章);k)增加了附錄D。——本文件于1993年首次發(fā)布為GB/T14221下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不GB/T1356通用機(jī)械和重型機(jī)械用圓柱齒輪標(biāo)準(zhǔn)基本齒條齒廓GB/T3358.1統(tǒng)計(jì)學(xué)詞匯及符號第1部分：一般統(tǒng)計(jì)術(shù)語與用于概率的術(shù)語GB/T3480.1直齒輪和斜齒輪承載能力計(jì)算第1部分：基本原理、概述及通用影響系數(shù)GB/T3480.2直齒輪和斜齒輪承載能力計(jì)算第2部分：齒面接觸強(qiáng)度(點(diǎn)蝕)計(jì)算GB/T10095(所有部分)圓柱齒輪精度制JB/T8831工業(yè)閉式齒輪的潤滑油選用方法GB/T3358.1、GB/T3480.1和GB/T3480.2界定的術(shù)語和定義以及表1中的代號適用于本文件。試驗(yàn)齒輪單個(gè)齒面點(diǎn)蝕面積之和試驗(yàn)齒輪副主動(dòng)輪全部齒點(diǎn)蝕面積之和試驗(yàn)齒輪副主動(dòng)輪全部齒工作表面積之和試驗(yàn)齒輪副被動(dòng)輪全部齒點(diǎn)蝕面積之和試驗(yàn)齒輪副被動(dòng)輪全部齒工作表面積之和ab工作齒寬C2F端面內(nèi)分度圓周上的名義切向力NKkR.clmNnR %%rS應(yīng)力u齒數(shù)比，z2/z?3βY。0升降變載法試驗(yàn)齒輪齒面接觸應(yīng)力試驗(yàn)前預(yù)估疲勞極限應(yīng)力試驗(yàn)齒輪計(jì)算齒面接觸應(yīng)力試驗(yàn)齒輪接觸疲勞極限應(yīng)力齒面粗糙度系數(shù)不為1時(shí)的試驗(yàn)齒輪齒面接觸應(yīng)力試驗(yàn)齒輪靜強(qiáng)度最大齒面應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為5×10?時(shí)的R-S-N曲線應(yīng)力計(jì)算值正態(tài)分布函數(shù)的母體標(biāo)準(zhǔn)差可靠度R下的齒面接觸疲勞極限應(yīng)力置信度C和可靠度R下的齒面接觸疲勞極限應(yīng)階梯增載試驗(yàn)應(yīng)力級疲勞極限應(yīng)力第j條參考S-N曲線的疲勞極限應(yīng)力升降變載法初始齒面接觸應(yīng)力4.1通過使試驗(yàn)齒輪副在受控載荷下進(jìn)行嚙合運(yùn)轉(zhuǎn)，測定齒面發(fā)生接觸疲勞失效(或超過齒面應(yīng)力循環(huán)基數(shù)N?后失效)時(shí)的循環(huán)次數(shù)，或測定給定循環(huán)次數(shù)(例如N?)下齒面發(fā)生接觸疲勞失效時(shí)的應(yīng)力4(載荷)水平，經(jīng)過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理，用以獲取反映試驗(yàn)齒輪接觸承載能力的“應(yīng)力-循環(huán)次數(shù)”曲線或“載荷-壽命”曲線1,或用以對不同材料、不同工藝、不同修形方式等條件下齒輪的接觸疲勞性能進(jìn)行對比。試驗(yàn)原理示例見圖1。圖1試驗(yàn)原理示例4.2由于疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性不可避免，只有得到足夠多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其分布才具有一定的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。因此，在實(shí)際應(yīng)用中若只能以有限的試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行分析或?qū)Ρ龋瑧?yīng)嚴(yán)格控制試驗(yàn)過程，并注意結(jié)論的局限性。5試驗(yàn)?zāi)康?.1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測定當(dāng)采用特定材料、按照特定工藝加工試驗(yàn)齒輪時(shí)，通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，可以獲得該類齒輪的接觸疲勞極限應(yīng)力或S-N曲線，以此作為該材料和工藝的強(qiáng)度設(shè)計(jì)基礎(chǔ)值。具體要求如下：a)對于高周疲勞壽命設(shè)計(jì)，應(yīng)測定耐久性疲勞極限應(yīng)力；b)對于有限壽命設(shè)計(jì)，應(yīng)測定對應(yīng)壽命區(qū)間的S-N曲線；c)當(dāng)a)和b)同時(shí)要求或沒有明確要求時(shí)，應(yīng)測定完整的S-N曲線。試驗(yàn)方法見第6章。5.2.1當(dāng)采用不同材料或不同工藝加工的試驗(yàn)齒輪時(shí)，通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，可以評定不同因素對齒輪接觸疲勞性能的影響。這些因素包括但不限于：——機(jī)加工工藝(磨、剃等);5 有限壽命應(yīng)力級下進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果的離散性確定。每種少于5個(gè)。5.2.3如需要對比耐久性疲勞極限應(yīng)力，應(yīng)按照6.4或6.5要求進(jìn)行試除5.1和5.2以外，其他試驗(yàn)?zāi)康目捎裳芯咳藛TZ.——接觸強(qiáng)度計(jì)算的重合度系數(shù)；Zp——接觸強(qiáng)度計(jì)算的螺旋角系數(shù)；ZR——接觸強(qiáng)度計(jì)算的粗糙度系數(shù)；6b——工作齒寬，單位為毫米(mm);6.2.2試驗(yàn)時(shí)，通常取4個(gè)或5個(gè)應(yīng)力級，每個(gè)應(yīng)力級下應(yīng)有不少于5個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)。最高應(yīng)力級與次高應(yīng)圖2。最高應(yīng)力級試驗(yàn)點(diǎn)的循環(huán)次數(shù)應(yīng)不少于1×10?,最低應(yīng)力級應(yīng)有越出點(diǎn)。為合理地縮短試驗(yàn)周期，也可取2個(gè)或3個(gè)應(yīng)力級進(jìn)行成組對比。N用于測定試驗(yàn)齒輪有限壽命區(qū)間內(nèi)50%可靠度下的S-N曲線，也可用于預(yù)估齒面接觸疲勞極限應(yīng)力6.3.2試驗(yàn)時(shí)，通常取4個(gè)～10個(gè)應(yīng)力級，每個(gè)應(yīng)力級下應(yīng)取1個(gè)～4個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)(不包括越出點(diǎn)),總的試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)不宜少于7個(gè)。所設(shè)置的應(yīng)力級應(yīng)在有限壽命區(qū)間內(nèi)合理7N圖3少點(diǎn)組合法示意6.4升降變載法6.4.1該法是給定循環(huán)次數(shù)后，在預(yù)估疲勞極限應(yīng)力oli附近設(shè)置多個(gè)應(yīng)力級，依據(jù)試驗(yàn)點(diǎn)失效或越出的升降分布統(tǒng)計(jì)得出疲勞極限應(yīng)力。該法可用于比較準(zhǔn)確地測定齒面接觸疲勞極限應(yīng)力σHlim。6.4.2試驗(yàn)中，當(dāng)前試件加載的應(yīng)力級應(yīng)由前一試件的試驗(yàn)結(jié)果決定。當(dāng)前一試件為“失效”時(shí)，該試應(yīng)力級，相鄰應(yīng)力級的差值宜取△o=(0.04～0.06)o'im,考慮試驗(yàn)周期，所需試驗(yàn)點(diǎn)總數(shù)不宜少于16個(gè)。最后的有效試驗(yàn)點(diǎn)后的預(yù)測點(diǎn)應(yīng)與第一個(gè)有效點(diǎn)同級。見圖4。圖4升降變載法示意86.5.1該法是基于Palmgren-M表2。R-S-N曲線疲勞極限應(yīng)力9表2各種試驗(yàn)方法的對比(續(xù))R-S-N曲線疲勞極限應(yīng)力注：可綜合使用常規(guī)成組法和升降變載法測定R-S-N曲線，其他試驗(yàn)方法常用于對比試驗(yàn)。7.1試驗(yàn)機(jī)7.1.1.1宜采用功率流封閉傳動(dòng)形式(如圖1所示),并具備雙向運(yùn)轉(zhuǎn)和加載能力。中心距范圍宜選為80mm～160mm,加載方式可采用可控液壓加載，試a)保證試驗(yàn)齒輪接觸斑點(diǎn)在不同載荷級下e)在10%～100%的加載范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩測量誤差不大于被測轉(zhuǎn)矩值的±1%;a)試驗(yàn)齒輪的使用系數(shù)KA的計(jì)算見公式(2),計(jì)算值不大于1.05。滿足GB/T10095(所有部分)規(guī)定的4級～6級，基本齒廓應(yīng)符合GB/T1356的要求?？蓛?yōu)先選擇表3壓力角螺旋角齒寬分項(xiàng)應(yīng)盡可能選用齒數(shù)比接近1的互質(zhì)齒數(shù)。對于修形試驗(yàn)齒輪，應(yīng)就齒具體分析，并就齒形基本設(shè)計(jì)參數(shù)、齒面修形應(yīng)保證試驗(yàn)齒輪在各個(gè)應(yīng)力級具有足夠的彎曲疲勞強(qiáng)度和抗膠合承載材料控制應(yīng)對材料冶煉設(shè)備、冶煉工藝進(jìn)行必要控制和記錄，并就化學(xué)成分、低要求同一批試驗(yàn)齒輪材料應(yīng)來自同一冶煉爐號，并就鑄件尺寸、鍛造設(shè)藝及鍛后熱處理方法進(jìn)行詳細(xì)記錄，鍛后應(yīng)針對機(jī)械性能、非金屬夾雜等進(jìn)行檢測。切割留存試樣1件～3件。鑄造或軋制毛坯類同合理制定預(yù)備熱處理與最終熱處理工藝規(guī)范，記錄設(shè)備型號、控制精度記錄加工設(shè)備型號、刀具與工藝參數(shù)等，每道加工工序完成后應(yīng)進(jìn)行幾何及精度檢測強(qiáng)化處理b齒面采用功能涂層、光整加工等強(qiáng)化處理的試驗(yàn)齒輪，應(yīng)詳細(xì)記錄工制精度等，并就強(qiáng)化工藝實(shí)施后的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行檢測表4關(guān)于試驗(yàn)齒輪的技術(shù)要求(續(xù))分項(xiàng)檢測幾何精度成品試驗(yàn)齒輪應(yīng)進(jìn)行幾何精度檢測，其中齒部精度等級按GB/T10095.1和GB內(nèi)在質(zhì)量對于成品試驗(yàn)齒輪，抽樣在節(jié)圓位置沿與齒面垂直方向進(jìn)行表層硬度測，對馬氏體、碳化物、殘留奧氏體及心部組織等進(jìn)行檢測對于成品試驗(yàn)齒輪，抽樣在節(jié)圓位置沿與齒面垂直方向進(jìn)行表層殘余應(yīng)力檢測對于成品試驗(yàn)齒輪，抽樣檢測節(jié)圓位置處沿齒廓方向和沿對于成品試驗(yàn)齒輪，檢測齒面磨齒燒傷情況。參見HB7搬運(yùn)過程中應(yīng)輕拿輕落，不應(yīng)磕碰，尤其齒重點(diǎn)控制性項(xiàng)目。一般控制性項(xiàng)目。8失效判據(jù)8.1判別方法以試驗(yàn)齒輪齒面點(diǎn)蝕損傷程度作為齒面接觸疲勞失效的判據(jù)。判別方法有以下兩種：a)單齒點(diǎn)蝕面積率的計(jì)算見公式(3)。Rs———單齒點(diǎn)蝕面積率，%;As———試驗(yàn)齒輪單個(gè)齒面點(diǎn)蝕面積之和，單位為平方毫米(mm2);b)齒輪副點(diǎn)蝕面積率的計(jì)算見公式(4)。Rr——齒輪副點(diǎn)蝕面積率，%;A?r———試驗(yàn)齒輪被動(dòng)輪全部齒點(diǎn)蝕面積之和，單位為平方毫米(mm2);A1rw——試驗(yàn)齒輪主動(dòng)輪全部齒工作表面積之和，單位為平方毫米(mm2);A?rw——試驗(yàn)齒輪被動(dòng)輪全部齒工作表面積之和，單位為平方毫米(mm2)。8.2判別準(zhǔn)則8.2.1對于非表面硬化齒輪，點(diǎn)蝕一般會(huì)在所有齒面上出現(xiàn)。當(dāng)試驗(yàn)齒輪副的硬度相等或相近時(shí)，設(shè)定的點(diǎn)蝕損傷極限值見公式(5):Rr=2%當(dāng)達(dá)到公式(5)的值時(shí)，應(yīng)判定該齒輪副失效。 (6)或Rr=0.5% (7)90%,沿齒高方向應(yīng)不小于80%。9.4.1.2使用升降變載法時(shí)，應(yīng)針對試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)穩(wěn)定性檢驗(yàn)。最后連續(xù)4個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的穩(wěn)定NL≤N?2≤ ≤NLm-1≤NLn………b)有越出點(diǎn)且失效試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)為r時(shí)：NL≤N12≤.≤NLr-1≤NL (9)10.1.1.2對于某一壽命值N的壽命經(jīng)驗(yàn)分布函數(shù)的表達(dá)見公式(10)或公式(11): (10)或 (11)10.1.2壽命分布函數(shù)假設(shè)一般采用正態(tài)分布、對數(shù)正態(tài)分布或三參數(shù)威布爾分布進(jìn)行分布檢驗(yàn)，確定分布函數(shù)。三種分布函數(shù)的表達(dá)分別見公式(12)～公式(14):正態(tài)分布對數(shù)正態(tài)分布三參數(shù)威布爾分布公式(12)～公式(14)中：N齒面應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；μN(yùn)——正態(tài)分布函數(shù)母體平均值；on——正態(tài)分布函數(shù)母體標(biāo)準(zhǔn)差；Oln——對數(shù)正態(tài)分布函數(shù)母體對數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差；β——威布爾分布函數(shù)的形狀參數(shù)；η——威布爾分布函數(shù)的尺度參數(shù)；γ———威布爾分布函數(shù)的位置參數(shù)，當(dāng)γ=0時(shí)，公式(14)簡化為兩參數(shù)威布爾分布函數(shù)。10.1.3壽命分布函數(shù)擬合與優(yōu)度檢驗(yàn)10.1.3.1宜采用最小二乘法進(jìn)行壽命分布的擬合與優(yōu)度檢驗(yàn)，具體步驟為：a)采用公式(10)或公式(11)計(jì)算P(NL);b)當(dāng)按照正態(tài)分布擬合時(shí)，應(yīng)按照公式(15)計(jì)算：當(dāng)按照對數(shù)正態(tài)分布擬合時(shí)，應(yīng)按照公式(16)計(jì)算：當(dāng)按照威布爾分布擬合時(shí)，應(yīng)按照公式(17)計(jì)算：10.1.3.2分布函數(shù)的線性相關(guān)系數(shù)應(yīng)滿足線性相關(guān)系數(shù)臨界值的要求。當(dāng)線性相關(guān)系數(shù)最小值同時(shí)滿足兩種以上分布時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用線性相關(guān)系數(shù)絕對值較大的分布。10.1.3.3不同可靠度下R-S-N曲線的各應(yīng)力級應(yīng)選取同一類型的分布。10.1.4R-S-N曲線參數(shù)的確定方法如下：a)按確定的壽命分布函數(shù)計(jì)算不同可靠度R下的可靠壽命NL,R:NL.R=μn+σNΦ-1(1-R) (18)——對于對數(shù)正態(tài)分布，計(jì)算見公式(19):NL,R=exp[AImn+σmφ-1(1-R)] ——對于三參數(shù)威布爾分布，計(jì)算見公式(20): (20)b)擬合S-N曲線，宜按照公式(21)計(jì)算：σH·NLR=C (21)m——S-N曲線方程的指數(shù)；C——S-N曲線方程的常數(shù)。c)以各應(yīng)力級相同可靠度的“應(yīng)力-循環(huán)次數(shù)”作為子樣，用最小二乘法擬合，得到一系列不同可靠度下的R-S-N曲線。10.1.5C-R-S-N曲線參數(shù)的確定當(dāng)要求建立C-R-S-N曲線時(shí)，方法見附錄A。10.1.6S-N曲線斜率的修正10.1.6.1當(dāng)按公式(1)計(jì)算σn時(shí)，若Zr值不等于1.0,則應(yīng)修正S-N曲線的斜率。10.1.6.2修正后的S-N曲線方程參數(shù)的計(jì)算見公式(22)～公式(25): (22)C1=0Ho·N? (23)N;——接觸疲勞區(qū)上臨界點(diǎn)循環(huán)次數(shù)；修正前后的S-N曲線見圖6。NrNr圖6S-N曲線斜率的修正見附錄B。10.2升降變載法10.2.2將應(yīng)力級按升序排序，見公式(26)式中：l——應(yīng)力級數(shù)。10.2.3應(yīng)力平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差的估計(jì)值的計(jì)算見公式(27)～公式(32):——平均值 (28) (29)公式(27)～公式(29)中： (30) (31) (32)公式(30)～公式(32)中：f,——各應(yīng)力級在分析事件中出現(xiàn)的次數(shù)。10.2.4可靠度為R下的疲勞極限應(yīng)力σr的計(jì)算見公式(33):10.2.5考慮置信度的疲勞極限應(yīng)力σk.c的計(jì)算見A.2。10.2.6完整算例見附錄C。10.3階梯增載法該法適用于疲勞極限應(yīng)力的快速測定(算例見附錄D)。過程如下：a)記錄試驗(yàn)中的應(yīng)力級σ;和對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)n;b)選取J條(J≥3)可參考的S-N曲線方程見公式(34):σ;·N?=C;(j=1,2,…,J)oim,——第j條可參考的S-N曲線的極限應(yīng)力值；C;——第j條可參考的S-N曲線方程的常數(shù)。a)對于正態(tài)分布，考慮置信度C(C≥50%),可靠壽命的單側(cè)置信下限的計(jì)算見公式(A.1):kr,c——正態(tài)分布單側(cè)容限系數(shù)，其值與試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)量n、置信度C及可靠度R有關(guān)，見P?[F2(n-i+1),2i>F?-C,2(n-i+1),σH·NL.R,c=C…………(A.4)式中：(資料性)常規(guī)成組法數(shù)據(jù)處理的算例B.1試驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理B.1.1按照應(yīng)力級遞增把試驗(yàn)獲得壽命數(shù)據(jù)排列，見表B.1。表B.1齒輪接觸疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)壽命(循環(huán)次數(shù))應(yīng)力級I應(yīng)力級Ⅱ123456789B.1.2對每一應(yīng)力級壽命樣本按遞增順序排列并排除越出點(diǎn)，結(jié)果見表B.2。表B.2齒輪接觸疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)排序壽命(循環(huán)次數(shù))應(yīng)力級I應(yīng)力級Ⅱ12345678應(yīng)力級序號YIn(NL一γ)I2345678Ⅱ234678Ⅲ235678234678表B.3各個(gè)應(yīng)力級下擬合公式數(shù)據(jù)點(diǎn)計(jì)算(續(xù))應(yīng)力級序號YIn(NL一γ)V12345678B.2.2采用最小二乘法法對表B.3中的相關(guān)數(shù)據(jù)點(diǎn)按線性模型Y=A+BX進(jìn)行常數(shù)項(xiàng)A、B和線性應(yīng)力級I應(yīng)力級ⅡBA7BArBAr臨界值(置信度95%)B.2.3從表B.4可知，正態(tài)分布、對數(shù)正態(tài)分布和三參數(shù)威布爾分布的線性相關(guān)系數(shù)均滿足置信度為95%時(shí)的相關(guān)系數(shù)臨界值，且三參數(shù)威布爾分布的相關(guān)系數(shù)絕對值均大于其他兩種分布相關(guān)系數(shù)絕對應(yīng)力級I應(yīng)力級Ⅱ形狀參數(shù)β位置參數(shù)γ可靠度應(yīng)力級I應(yīng)力級ⅡB.3.2分別考慮90%和95%置信度，按公式(A.3)計(jì)算失效概率的單側(cè)置信下限，重復(fù)B.2步驟，再計(jì)表B.790%和95%置信度下三參數(shù)威布爾分布不同可靠度下的定應(yīng)力壽命可靠度應(yīng)力級I應(yīng)力級Ⅱmlogon+logNL,R,c=logC…………(B.1)令Y=logoh,X=logNL,R,c,B=-1/m,A=logC/m,則公式(B.1)在雙對數(shù)坐標(biāo)系下視為線性模B.4.2表B.8列出了90%和95%置信度下三參數(shù)威布爾分布C-R-S-N方程參數(shù)擬合結(jié)果。表B.890%和95%置信度下三參數(shù)威布爾分布C-R-S-N方程參數(shù)擬合結(jié)果rO(資料性)升降變載法數(shù)據(jù)處理的算例C.1試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)C.1.1本試驗(yàn)針對某種汽車用滲碳淬火齒輪。C.1.2選取4個(gè)應(yīng)力級進(jìn)行升降法試驗(yàn)，應(yīng)力增量△o≈5%oHlim≈70N/mm2,經(jīng)過升降法試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)見表C.1。表C.1升降法試驗(yàn)數(shù)據(jù)小輪接觸應(yīng)力1N2F3F4N5F6F7N8N9NFFNFNFN注：F——失效；N——越出。C.1.3將應(yīng)力級按升序排列，統(tǒng)計(jì)失效和未失效的次數(shù)，見表C.2。表C.2升降