GB/T14230-2021
齿轮弯曲疲劳强度试验方法
Testmethodoftoothbendingstrengthforgearloadcapacity
- 中国标准分类号（CCS）J17
- 国际标准分类号（ICS）21.200
- 实施日期2021-12-01
- 文件格式PDF
- 文本页数35页
- 文件大小3.03M
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齿轮弯曲疲劳强度试验方法
国家标准 GB/T14230一2021 代替GB/T14230一1993 齿轮弯曲疲劳强度试验方法 Testmethodoftoothbendingstrengthforgearloadcapaeity 2021-05-21发布 2021-12-01实施 国家市场监督管理总局 发布 国家标涯花管理委员会国家标准
GB/T14230一2021 目 次 前言 范围 2 规范性引用文件 术语和定义、代号 试验原理 试验目的 5.1基础数据测定 5.2性能对比 其他 5,3 试验型式 6.1总述 6.2运转型试验 6.3脉动型试验 试验方法 7.1总述 7.2常规成组法 7.3少点组合法 升降变载法 7." 7.5阶梯增载法 7.6其他方法 7.7各种试验方法的比较 试验装备 8.1试验机 8.2试验齿轮 失效判据 12 13 10试验程序 0.1准备 13 0.2预备试验 13 0.3正式试验 13 13 0.4试验点的补充与剔除 0.5失效分析 1试验数据的统计处理 1.1常规成组法和少点组合法
GB/T14230一2021 17 1.2升降变载法 17 1.3阶梯增载法 18 12 试验报告 19 附录A资料性试验夹具设计 21 附录B(资料性考虑置信度的统计处理方法 23 附录C资料性常规成组法数据处理的算例 28 附录D资料性升降变载法数据处理的算例 29 附录E资料性阶梯增载法数据处理的算例 参考文献
GB/T14230一2021 前 言 本文件按照GB/T1.1一2020(《标准化工作导则第1部分;标准文件的结构和起草规则》的规定 起草
本文件代替GB/T14230一1993《齿轮弯曲疲劳强度试验方法》,与GB/T142301993相比,主要 技术变化如下 更改了第1章,其中“规定”的内容增加了“或用于对比分析不同材料、不同工艺、不同齿根形 貌等条件下轮齿的抗弯曲疲劳性能”,“适用”的内容从“其它金属齿轮”扩展为“其他材料齿轮 或非渐开线齿轮”(见第1章,1993年版的第1章) b 更改了第2章中规范性引用文件(见第2章,1993年版的第2章) c 更改了表1中的代号,补充了部分新代号见表1,1993年版的表l) ,分别编为第4章,第5章和第6章(见第4章、 d增加了“试验原理”“试验目的”和“试验型式” 第5章和第6章); 在第6章中纳人了原文件第8章的内容(见第6章,1993年版的第8章) e “升降变载法”“阶梯增载法”(见7.4和7.5,1993年版的第4章) 在第了章中增加了 f 第8,9,10,11.12各章分别相对原文件的第5,6、7,9.10各章进行了修改,其中增加了10.4“试 g 验点的补充与剔除”见第8章一第12章和10.4,1993年版的第5章一第7章、第9章和第 0章); h)更改了附录A,纳人了原文件附录c的内容,将原文件附录A的内容纳人了8.1.1.2(见8.1. 1.2和附录A,1993年版的附录A和附录C); 更改了附录B,增加了考虑置信度的统计处理方法,将原文件附录B的内容纳人了8.1.2.1见 8.1.2.1和附录B,1993年版的附录B), 更改了附录C,增加了常规成组法数据处理的算例,将原文件附录c的内容纳人了附录A(见 附录A和附录C,1993年版的附录C); k)更改了附录D,增加了升降变载法数据处理的算例,将原文件附录D的内容纳人了11.1.4(见 1.1.4和附录D,1993年版的附录D): 更改了附录E,增加了阶梯增载法数据处理的算例,删除了原文件附录E的内容(见附录E. ID 1993年版的附录E). 请注意本文件的某些内容可能涉及专利
本文件的发布机构不承担识别专利的责任 本文件由全国齿轮标准化技术委员会(SAC/TC52)提出并归口
本文件起草单位;郑州中机轨道交通装备科技有限公司、中机生产力促进中心,郑州机械研究所有 限公司、陕西法士特齿轮有限责任公司、綦江齿轮传动有限公司,重庆大学,中机试验装备股份有限公 司、江苏中工高端装备研究院有限公司,郑州航空工业管理学院,东莞市德晟智能科技有限公司、珠海格 力电器股份有限公司、广东产品质量监督检验研究院,郑州高端装备与信息产业技术研究院有限公司
本文件主要起草人;李纪强、李金峰、王志刚,刘忠明张敬彩、严鉴铂,毛永明,刘怀举、范瑞丽、 王长路、白爽、王振、刘辉华、周丹、王东飞、管洪杰,李海霞、吴清锋、张元国、王宝宾、陈胜、魏沛堂 杨秀光、王大号、王征兵,封楠、吕泮功、李学飞、王海霞、李优华,马骋天、丁炜
本文件及其所代替文件的历次版本发布情况为 本文件于1993年首次发布为GB/T14230-1993,本次为第1次修订
GB/T14230一2021 齿轮弯曲疲劳强度试验方法 范围 本文件规定了关于渐开线圆柱齿轮齿根弯曲疲劳强度试验的原理、目的、型式、方法、装备,失效判 据、程序、数据处理以及试验报告
本文件适用于测定钢或铸铁材料渐开线圆柱齿轮齿根弯曲疲劳承载能力设计所需的基础数据,并 适用于对比分析不同材料、不同工艺、不同修形方式等条件下齿轮的弯曲疲劳性能
其他材料齿轮或非 渐开线齿轮的同类试验可参照使用
规范性引用文件 下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款
其中,注日期的引用文 件,仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于 本文件
GB/T1356通用机械和重型机械用圆柱齿轮标准基本齿条齿廓 GB/T388.！统计学间汇及符号第】部分一股统计术语与用于概率的术请 直齿轮和斜齿轮承载能力计算第1部分;基本原理、概述及通用影响系数 GB/T3480.1 直齿轮和斜齿轮承载能力计算第3部分;轮齿弯曲强度计算 GB/T3480.3 GB/T10095(所有部分)圆柱齿轮精度制 GB/T25917.1单轴疲劳试验系统第1部分:动态力校准 JB/T8831工业闭式齿轮的润滑油选用方法 术语和定义、代号 GB/T3358.1,GB/T3480.1和GB/T3480.3界定的术语和定义以及表1中的代号适用于本文件
表1代号、含义及单位 代号 单位 工作齿宽 mm S-N曲线方程常数;置信度 修正后的sN曲线方程常数 第条可参考的sN曲线方程的常数 E 脉动型试验载荷作用点 F 试验齿轮端面内分度圆周上的名义切向力 升降变载法中各应力级对应事件出现次数 试验齿轮中心线高度 mm h加 载荷作用点E到试验齿轮中心的垂直高度 mm
GB/T14230一2021 表1代号含义及单位(续 代号 单位 使用系数 K K 弯曲强度计算时的齿间载荷分配系数 弯曲强度计算时的螺旋线载荷分布系数 K? K， 均载系数 K
动载系数 正态分布单侧容限系数 跨齿数 应力级数 sN曲线方程指数 m 修正后的sN曲线方程指数 法向模数 mmm N 齿根弯曲疲劳区上临界点的循环次数 Nn 齿根应力循环次数 NL.R 可靠度R下的可靠寿命 置信度c和可靠度R下的可靠寿命置信下限 NL.R.c 齿根应力循环基数 N 试验点总数 R 可靠度 试验有越出点时的失效试验点数;循环特性系数 试验齿轮齿顶圆半径 mm 试验齿轮基圆半径 mm 载荷作用点E的半径 mm 应力 N/mm" 升降变载法应力标准偏差 T Nm 加载转矩的平均值 T 加载转矩的最大值 Nm W 过载荷作用点E的公法线长度;齿顶点为载荷点时试验齿轮中心线高度 mm 变位系数 轮缘厚度系数 Ymm 齿高系数 Y 齿廓系数 YE 载荷作用于E点时的齿席系数 YR 相对齿根表面状况系数 应力修正系数
GB/T14230一2021 表1代号,含义及单位(续) 代号 含 单位 Y 载荷作用于E点时的应力修正系数 Y 与标准试验齿轮尺寸有关的应力修正系数 Y 弯曲强度计算的尺寸系数 弯曲强度计算的螺旋角系数 心 相对齿根圆角敏感系数 arT Yan 静强度下的相对齿根圆角敏感系数 齿数 分度圆压力角 (")或rad 齿顶压力角 ()或 rad ?)或radd a 载荷作用点E处的压力角 载荷作用点E处的载荷作用角 (")或rad aE 螺旋角 )或rad 威布尔分布函数的形状参数 威布尔分布函数的位置参数 Ao 升降变载法中应力增量 N/mm 威布尔分布函数的尺度参数 对数正态分布函数母体对数平均值 MnN 正态分布函数母体平均值 升降变载法中的平均值 N/mm1 升降变载法试验齿轮齿根弯曲应力 N/mm 循环特性系数r0时的齿根应力 N/mm' 试验前预估疲劳极限应力 N/mm 齿轮材料的抗拉强度 /mm N/mm 试验齿轮齿根应力 试验齿轮弯曲疲劳极限应力 N/mm oFe 弯曲静强度值 N/mm 试验齿轮静强度最大齿根弯曲应力 N/mm oF 疲劳极限应力 N/mm om 条参考sN曲线的疲劳极限应力 N/mm oim, 对数正态分布丽数母体对数标准差 onN dN 正态分布丽数母体标准差 N/mm" 可靠度R下的齿根弯曲疲劳极限应力 R N/mmm 置信度C和可靠度R下的齿根弯曲疲劳极限应力单侧置信下限 R. 升降变载法初始齿根弯曲应力 N/mm1
GB/T14230一2021 试验原理 4.1通过啃合运转(见图1)或脉动加载(见图2),对试验齿轮的轮齿施加受控载荷,再现或模拟齿根的 应力状态和数值,用以测定轮齿发生弯曲疲劳失效(或超过齿根应力循环基数N
后失效)时的循环次 数,或测定给定循环次数(例如N,)下轮齿发生弯曲疲劳失效时的应力(载荷)水平
经过对试验数据 的统计处理,用以获取反映试验齿轮弯曲承载能力的“应力-循环次数”曲线或“载荷-寿命”曲线,或对 不同材料,不同工艺、不同齿根形貌等条件下齿轮的弯曲疲劳性能进行对比
标引序号说明 -驱动装置; -试验(或陪试)齿轮箱 -可控加载装置(含失载停机功能); 转矩转速传感器、计数器等; 陪试(或试验)齿轮箱 图1运转型试验原理示例 标引序号说明 -可控脉动加载装置(含力测量传感器、计数器等); -机架; -加载压头; -试验齿轮 试验齿轮固定夹具
图2脉动型试验原理示例 1) “应力-循环次数”曲线或“载荷-寿命”曲线即S-N曲线
GB/14230一2021 4.2由于疲劳试验数据的离散性不可避免,只有得到足够多的试验数据,其分布才具有一定的统计学 意义
因此,在实际应用中若只能以有限的试验数据点进行分析或对比,应严格控制试验过程,并注意 结论的局限性
5 试验目的 5.1基础数据测定 当采用特定材料,按照特定工艺加工试验齿轮时,通过试验数据的处理,可以获得该类齿轮的弯曲 疲劳极限应力或S-N曲线以此作为该材料和工艺的强度设计基础值
具体要求如下: 对于高周疲劳寿命设计,应测定耐久性疲劳极限应力 aa 对于有限寿命设计,应测定对应寿命区间的S-N曲线; b 当a)和b)同时要求或没有明确要求时,应测定完整的S-N曲线
试验方法见第7章
5.2性能对比 5.2.1当采用不同材料或不同工艺加工的试验齿轮时,通过对试验数据的处理,可以评定不同因素对 齿轮弯曲疲劳强度的影响
这些因素包括但不限于 齿轮材料; 齿轮热处理， 齿轮几何参数， 加工流程; 齿根机加工(滚齿、插齿、偻齿等); 齿根表面处理(喷丸,超精加工,镀层等); 工作温度; 润滑油
依据5.2.1的对比,可以优化齿轮的材料、工艺、齿根设计等
为提高效率,经充分评估后,宜在 5.2.2 有限寿命应力级下进行试验
试验点数应根据试验结果的离散性确定
每种用于对比的试验点数不宜 少于5个
5.2.3如需要对比耐久性疲劳极限应力,应按照7.4或7.5的要求进行试验
5.3其他 除5.1和反.2以外,其他试验目的可由研究人员自行设定
例如探究齿轮弯曲疲劳失效机理和主 要原因,分析齿轮弯曲疲劳裂纹的萌生和稳定扩展过程,制定轮齿弯曲疲劳损伤的抑制方法等
试验型式 6.1总述 为了确定齿轮弯曲承载能力和疲劳强度,将试验齿轮副安装在试验台上进行运转加载的方式称为 运转型试验(见图1),将试验齿轮以专用夹具固定在试验机上对轮齿进行脉动加载的方式称为脉动型 试验(见图2)
当两种试验型式所得结果存在差异时,应以运转型试验为准
6.2运转型试验 6.2.1试验中,在指定载荷(转矩)下循环一定次数后齿根出现弯曲疲劳失效或达到齿根应力循环基数
GB/T14230一2021 N,而未失效时(称为“越出点”),试验终止并获得轮齿在当前试验应力值下的一个寿命值,形成一个数 据组(称为“试验点”)
当试验过程无异常时,将该试验点称为“有效试验点”,否则称为“异常试验点” 6.2.2试验齿轮的齿根弯曲应力应依根据GB/T3480.1和GB/T3480.3按公式(1)计算: F，
K，
K，
K
KKnYY Ymm b
m
Ys.Y， alTYRrTY 式中 试验齿轮端面内分度圆周上的名义切向力,单位为牛顿(NV); 使用系数 个 K， -均载系数,本文件中K,=1 动载系数; K 弯曲强度计算时的齿间载荷分配系数 K; -弯曲强度计算时的螺旋线载荷分布系数; 齿廓系数 -应力修正系数; y -弯曲强度计算时的螺旋角系数; Y 轮缘厚度系数 齿高系数 工作齿宽,单位为毫米(mm): 法向模数,单位为毫米(mm); " 与标准试验齿轮尺寸有关的应力修正系数 Y 相对齿根圆角敏感系数; Y 相对齿根表面状况系数; RrelT 弯曲蓝度计算的尺寸系数 6.3脉动型试验 6.3.1试验中,在试验轮齿靠近齿顶的有效渐开线位置施加设定的脉动载荷,循环一定次数直至齿根 出现弯曲疲劳失效或越出时,试验终止并获得轮齿在该试验应力下的一个寿命数据
6.3.2试验齿轮不作啮合运转,载荷仅施加在试验轮齿上,每个试验齿轮可得若干试验点,但所选取的 试验轮齿与承受过载荷的轮齿包括支撑齿)至少应间隔一个轮齿
6.3.3试验轮齿在E点被加载时产生的齿根弯曲应力按公式(2)和公式(3)计算; YEYE
Yp
Y d
， Ys Y=-了在a op O 35o o 十 式中 " 脉动加载状态下循环特性系数”大0时的齿根应力,单位为牛顿每平方毫米(N/mm') 经过适当修正后循环特性系数r=0时的齿根应力,单位为牛顿每平方毫米(N/mm'); a 载荷作用于E点时的齿廓系数,见GBT3480.3.E点的确定见附录A Ys -载荷作用于E点时的应力修正系数,见GB/T3480.3; -齿轮材料的抗拉强度,单位为牛顿每平方毫米(N/mm'); 循环特性系数,在试验期间要求为一常数,且厂<0.05
GB/T14230一2021 试验方法 7.1总述 齿轮弯曲疲劳试验有多种数据组合方法,如常规成组法、少点组合法、升降变载法、阶梯增载法等
在试验方案制定阶段,宜根据试验目的和试验周期进行合理选择
7.2常规成组法 7.2.1该法是在多个应力级下成组进行疲劳寿命试验,并通过统计处理得到不同可靠度下疲劳曲线的 -种试验方法
该法可用于比较准确地测定试验齿轮有限寿命区间内“可靠度-应力-循环次数”曲线 “R-S-N”曲线),也可用于预估齿根弯曲疲劳极限应力oFim 7.2.2试验时,通常取4个或5个应力级,每个应力级下应有不少于5个试验点
最高应力级与次高 应力级的应力间隔以总试验应力范围的40%一50%为宜,随着应力的降低,应力级间隔应逐渐减小 见图3
最高应力级试验点的循环次数应不少于1X1o',最低应力级应有越出点
7.2.3当以不同材料、不同工艺、不同齿根形貌的齿轮进行对比试验时,可按该法得到不同的R-S-N 曲线
为合理地缩短试验周期,也可取2个或3个应力级进行成组对比
250%"m -×又X× 180% om -XXxX- 140%" lmn -xxxx X om o 10 10 10" 0N 10 10 标引序号说明: 失效点; 越出点(括号中的数字代表越出点个数》) 图3常规成组法示意 7.3少点组合法 7.3.1该法是在多个应力级下进行较少数量点的疲劳寿命试验,通过数据拟合得到S-N曲线
该法 可用于测定试验齿轮有限寿命区间内50%可靠度下的s-N曲线,也可用于预估齿根弯曲疲劳极限应 力a下,或可用于不同材料、不同工艺、不同齿根形貌下试验齿轮弯曲疲劳性能的对比测试
7.3.2试验时,通常取4个10个应力级,每个应力级下应取1个4个试验点(不包括越出点),总 的试验点数不宜少于7个
所设置的应力级应在有限寿命区间内合理分布,见图4,原则是 -在高应力级区,应力级间隔可适当加大; -在低应力级区,应力级间隔可适当减小; 在最低应力级,应出现越出点
GB/T14230一2021 2509% olimm x 180% 听" x -x 1409% olm -XX 作mn e (2) 103 105 106 10 10 w 标引序号说明 失效点; 越出点(括号中的数字代表越出点个数)
图4少点组合法示意 7.4升降变载法 7.4.1该法是给定循环次数后,在预估疲劳极限应力o'附近设置多个应力级,依据试验点失效或越出 的升降分布统计得出疲劳极限应力
该法可用于比较准确地测定齿根弯曲疲劳极限应力m 7.4.2试验时,当前试件加载的应力级应由前一试件的试验结果决定:当前一试件为“失效”时,该试件 加载的应力级应降低一级;“越出”时,则增高一级
“失效”和“越出”应配对出现
试验过程通常取 4个6个应力级,相邻应力级的差值宜取A=(0.040.06),考虑试验周期,所需试验点总数不宜 少于20个
最后的有效试验点后的预测点应与第一个有效点应力水平同级
见图5
a oe o 标引序号说明 失效点; 越出点 图5升降变载法示意
GB/T14230一2021 7.5阶梯增载法 n.Miner法则,只用1个失效试验点,通过阶梯增量加载的方式快速获取般犹 7.5.1该法是基于Palmgren- 劳极限应力
该法特别适用于不同材料、不同工艺、不同齿根形貌下,试验齿轮弯曲疲劳性能的快速对 比试验
当已有试验数据较多时,该法也可用于齿根弯曲疲劳极限应力o的大致测定
7.5.2试验时,首先预估疲劳极限应力o'im,以初始应力级a~o'为起点以阶梯增载的方式进行疲 劳试验,每一应力级o加载"次循环后观察损伤情况,如未到达设定的失效判据,则进人下一应力级 o+1=a十A继续试验,直至失效
见图6
应注意,在最后的应力级下,试验齿轮不应出现除弯曲 疲劳外其他形式的损伤 om 可能的疲劳曲线 n 标引序号说明 静强度最大齿根弯曲应力: oF 预估疲劳极限应力
ahm 图6阶梯增载法示意 7.6其他方法 本文件不排斥其他的试验方法,但该方法应符合抽样和数理统计的要求,并与试验委托方或数据使 用方达成一致
例如采用正交法进行对比试验时,每个对比因素至少应有3个试验点
7.7各种试验方法的比较 对7.27.5不同的试验方法所得到的处理结果和占用的试验周期进行比较,见表2
GB/T14230一2021 表2各种试验方法的对比 可得结果 对比 试验方法 疲劳极限应力 S-N曲线 Rs-N曲线 试验周期 试验进度 oFlim 常规成组法 有限寿命” 有限寿命" 高周疲劳寿命"b 最长 运转型;慢 有限寿命" 高周疲劳寿命 少点组合法 较知 升降变载法 高周疲劳寿命 较长 脉动型;快 最短 阶梯增载法 高周疲劳寿命 注:可综合使用常规成组法和升降变载法测定R-S-N曲线,其他试验方法常用于对比试验
在试验点数较少的 情况下,试验结论有局限性 任意可靠度
"可靠度R=50% 仅预估 试验装备 8.1试验机 8.1.1运转式 8.1.1.1要求 8.1.1.1.1宜采用功率流封闭传动形式(如图1所示),并具备双向运转和加载能力
中心距范围宜选 为80mm~160mm,加载方式可采用可控液压加载,试验齿轮线速度宜选为8m/s一30m/s(不宜大于 40 m/s),并应具有以下基本功能: 保证试验齿轮接触斑点在不同载荷级下均能满足试验要求 a 有足够能力补偿齿轮、轴承、密封件等处的功率损失; b 试验过程中发生异常或齿轮断齿(失载)时可自动停机; c d 转矩加载稳定,连续可调 在10%~100%的加载范围内,转矩测量误差不大于被测转矩值的士1%; e 保证试验齿轮具有良好润滑条件,润滑油温度控制误差不大于士5C; 有循环次数记录装置,试验过程中工作应连续、可靠,最大记录误差不大于士0.1% 日 8.1.1.1.2试验中所需润滑油应按JB/T8831进行选择和更换
一般情况下,试验机每连续运转三个 月,应进行润滑油的取样检查、清洁或更换
8.1.1.2校核 应定期按照试验机的技术指标进行校验,做到: 试验齿轮的使用系数K、的计算见公式(4),计算值不大于1.05 a Tee K= 式中 加载转矩最大值,单位为牛顿米(Nm)7 T lmex 10
GB/T14230一2021 -加载转矩平均值,单位为牛顿米(N
m). b 加载系统、温度控制系统、转矩测量仪、计数器等运行精度满足设备要求
8.1.2脉动式 设备要求 8.1.2.1 8.1.2.1.1主要性能与精度 应具有静载荷试验和动载荷试验控制方式,在施加和卸除载荷的过程中应平稳,无冲击和振动 a 现象 b)应具有载荷、加载频率和循环次数的指示和记录装置 在加载范围的5%~100%内,静载荷示值的相对误差应不大于士1%,动载荷示值的相对误 c 差应不大于士3%; d 频率计、计数器最大记录误差应不大于0.1%
8.1.2.1.2使用前应做以下准备 对频率计、计数器及载荷稳定度进行测试,并有标定记录 a b 定期按照GB/T25917.1进行静载荷和动载荷校准 8.1.2.2夹具要求 夹具的设计应根据试验要求及试验齿轮参数确定(见附录A),并满足以下要求 具有足够的刚度,并能可靠地支承试验齿轮; a 保证载荷作用在轮齿接近齿顶的有效渐开线的齿面上,并能确定载荷作用点E的准确位置， b 保证施加在轮齿上的载荷作用线与试验齿轮基圆相切; c 保证载荷沿螺旋线方向均匀分布,可通过加载头柔性化设计、支撑机构自适应设计和严格调整 d 实现,并通过压痕观察,断痕形貌观察或加载头应变测试进行验证; 加载头的宽度大于试验齿轮齿宽,硬度高于试验齿轮齿面硬度
8.2试验齿轮 8.2.1主要参数 8.2.1.1用于齿轮(或齿轮材料)的基础数据试验时,宜选用圆柱齿轮,模数m
=2mm~6mm,精度 应满足GB/T10095(所有部分)规定的5级一7级,基本齿廓应符合GB/T1356的要求
可优先选择 表3的参数范围,参数搭配应避免在试验中出现疲劳点蚀或胶合现象
8.2.1.2在条件允许的情况下,试验齿轮也可按产品齿轮参数和实际运行条件进行相似设计
而在制 造过程中,齿廓渐开线与齿根过渡曲线连接处不应出现磨削台阶(特别进行磨削台阶影响弯曲疲劳试验 时除外);同一种试验齿轮的制造工艺应相同,保证试验齿轮性能的一致性
表3基础数据测定推荐的试验齿轮参数 试验桃中心距 法向模数 螺旋角 齿宽 试验类型 mm mm mmm 030 030 80120 运转型试验 120~160 030 040 脉动型试验 无 040 26 1
GB/T14230一2021 8.2.2技术要求 为保证试验的规范化和问题的可追溯,试验齿轮的设计和制造应形成正式技术文件,包括几何设 计,强度分析、材料控制、毛坯成形、热处理、机加工、表面强化等7项主要内容(如有必要,可另行增 加)
应根据试验目的就试验齿轮的制造过程控制进行必要的检测并记录,试验齿轮的搬运和存储也应 合理规范,详见表4
对于脉动型试验,当试验齿轮与加载头有干涉时,允许对非加载轮齿部分去除,去除位置不超过渐 开线起始圆
表4关于试验齿轮的技术要求 项目 分项 要求 对于脉动型试验齿轮应结合夹具设计(单齿加载、双齿加载)合理确认加载位置;对于运转 几何设计 型试验齿轮应进行嘈合分析,并就齿形基本设计参数、齿面修形方式、修形量进行评估 设计 对于运转型弯曲疲劳试验,应保证试验齿轮在各个应力级上具有足够的接触疲劳强度和胶 强度分析 合承载能力等,避免发生除弯曲疲劳外的其他失效形式 应对材料冶炼设备,冶炼工艺进行必要记录,并就化学成分,低倍组织、工艺性能等理化指 材料控制" 标进行检测,切削留存试样1件3件 同一批试验齿轮材料应来自同一冶炼炉号,并就原材料尺寸,锻造设备,锻造比、锻造工艺 毛坯成形" 及锻后处理方法进行详细记录,锻后应针对机械性能、非金属夹杂等进行检测,切割留存试 样1件3件 铸造或轧制毛坯类同 制造 止理制度,记录设备型号,控制精度及介质类别等,全部试件 合理制定预备热处理与最终热处 热处理 应尽可能同炉处理,留存1件3件试样 机加工" 记录加工设备型号、刀具与工艺参数等,每道加工工序完成后应进行儿何及精度检测
采用抛丸,喷丸或其他齿根强化处理的试验齿轮,应详细记录加工设备型号控制精度、工 强化处理 艺参数等,并就强化工艺实施后的相关指标进行检测 成品试验齿轮应进行几何精度检测,其中齿部精度等级按GB/T10095(所有部分)应为5级 几何精度 -7级 对于成品试验齿轮,应沿与齿根过渡曲线30"切线垂直方向进行表层硬度梯度与心部硬度 内在质量" 检测,并制备金相试样,对马氏体、碳化物、残留奥氏体及心部组织等进行检测 检测 残余应力 对于成品试验齿轮,应沿与齿骰过渡曲线30"切线垂直方向进行残余应力检渊 齿根形状 对于成品试验齿轮,应完整测量齿根过渡曲线几何形状 对于成品试验齿轮,应检测齿根过渡曲线30"切线附近沿齿廓方向和沿螺旋线方向的表面 齿根粗糙度" 粗糙度 搬运" 搬运过程中应轻拿轻落,不应磕碰,尤其齿廓部分不应有损伤 储运 存储！" 应编号涂油存放,避免发生锈蚀等损伤 重点控制性项目
一般控制性项目
9 失效判据 试验中若出现下列情况之一时,应判定轮齿因弯曲疲劳而失效: 12
GB/14230一2021 轮齿齿根出现可见疲劳裂纹或轮齿沿齿根断齿 a b 对于脉动型试验,因齿根出现疲劳裂纹而引起载荷值或加载频率下降了5%~10%(失载) 0试验程序 0.1准备 10.1.1确定试验目的,根据试验齿轮制造与检验技术文件制定试验方案,选取试验类型和确定试验 方法
10.1.2清洗试验齿轮后目测检查,齿根过渡曲线不得有加工刀痕或其他形式的损伤,然后应对试验齿 轮及其轮齿进行编号
0.1.3对试验机进行校核
10.1.4按试验机和夹具要求安装试验齿轮
10.2预备试验 0.2.1进行空载/小载荷试运行,观察运行情况,检查接触斑点或压痕,保证螺旋线方向受载均匀
10.2.2对于运转型试验,以低于预估弯曲疲劳极限应力50%的载荷值进行一定次数的跑合试验
10.2.3根据第7章要求,划分试验应力级,对每个应力级进行1个或2个试验点的验证试验,以判定 应力级设置的合理性
0.3正式试验 0.3.1应按预备试验确定的应力级开始正式试验
10.3.2试验中应关注试验机的运转情况,并对润滑油的质量、流量,油温进行监测
对于试验中无法 变载的运转式试验机,应监控载荷变化,依据掉载程度随时停机,调整和恢复载荷,做好详细记录
10.3.3试验中应根据试验齿轮的应力大小确定检查时间间隔,观察齿根的损伤情况
时间间隔随试 验过程逐步减小
在试验期间: -对于运转型试验:当出现轻微点蚀、正常磨损、轻微胶合等现象,应仔细记录这些变化,评估其 对弯曲疲劳试验的影响,并改善润滑及运转条件,消除或减缓非弯曲疲劳损伤的发展;当出现 中等或严重磨损、胶合或点蚀时,应判为非弯曲疲劳失效,该数据不应作为试验点
-对于脉动型试验;应注意加载压头塑性变形或微动磨损对载荷施加的影响,及时更换压头
0.3.4准确记录试验循环次数,保留试验齿轮及断齿残片,以备进行失效分析
10.4试验点的补充与剔除 10.4.1补充 0.4.1.1使用常规成组法时,同一应力级的试验点做完后应进行分布检验
如果分布函数的线性相关 系数不能满足最小值要求(见11.1.3),应补充试验点
对于正态分布,可采用'分布理论确定最少有效 试验点数
0.4.1.2使用升降变载法时,应针对试验点数及时进行数据稳定性检验
最后连续4个试验点的稳定 误差宜小于0.5%
若稳定误差不能满足要求,应补充试验点
0.4.1.3使用其他试验方法时,应结合试验点的统计学分析,判断试验结果是否具有足够的数据支撑
10.4.2剔除 10.4.2.1 当某一试验点的循环次数可疑时,可采用统计学中对可疑数据的处理方法来决定取舍
对于 13
GB/T14230一202 正态分布,宜采用肖维涅准则、格拉布斯法等
10.4.2.2当某一试验点的循环次数按照10.4.2.1选定方法被判定为过大数据时,应进一步分析该试验 点的加载是否有误
如果是,应剔除该试验点
10.4.2.3当某一试验点的循环次数按照10.4.2.1选定方法被判定为过小数据时,应检查试验齿轮是否 由于制造缺陷导致失效(例如磨齿后产生了表面微裂纹),并检查试验机载荷、振动是否超限
如果有 点是,应剔除该试验点
10.5失效分析 试验目的有要求时应进行失效分析
结合齿根断口形貌,借助光谱仪、光学/金相显微镜、扫描/透射电镜等检测设备,推断齿轮试件失效 的原因
n 试验数据的统计处理 11.1常规成组法和少点组合法 11.1.1给定应力级下寿命的概率分布 11.1.1.1在某一给定应力级下做n个试验点,得到的寿命值(循环次数N按递增顺序排列见公式 (5)或公式(6): 无越出点时: a (5 Nu
GB/T14230一202 以各应力级相同可靠度的“应力-循环次数”作为子样,用最小二乘法拟合,可以得到一系列不 同可靠度的R-SN曲线
11.1.5C-R-S-曲线参数的确定 当要求建立CR-S-N曲线时,方法见附录B
11.1.6s-N曲线斜率的修正 11.1.6.1按公式(1)或公式(2)计算o,时,由于某些参数对静强度和疲劳强度有不同影响,故应修正 S-N曲线的斜率
1.1.6.2修正后的s-N曲线方程参数的计算见公式(19)公式(22) lnN一lnN 19 m lno lnO 20 =N
YRlT on Y
l丁 22 opo 公式(19)公式(22)中: N,O、Y时万的下标j表示静强度时的值,见图7
标引序号说明: -加载循环次数; Nn -应力值,单位为牛倾每平方毫米(N/mm'); -齿根弯曲疲劳区上临界点的循环次数 N -齿根应力循环基数; 未修正的s-N曲线,fNL=c 修正后的S-N曲线,a"N=C" 图7s-N曲线斜率的修正 11.1.7算例 见附录C 16
GB/T14230一2021 11.2升降变载法 11.2.1根据7.4得到不同应力级下“越出”和“失效”试验点分布后,以总点数较少原则选择“越出”或 “失效”作为“分析事件"进行统计分析
11.2.2将应力级按升序排序,见公式(23): 23 o，<<
GB/T14230一202 将应力级a,分别代人」条参考S-N曲线方程中,求解对应的寿命N; c d 根据循环次数n,求出对应应力级o的ni/N，值及参考S-N曲线的习(ni/Nn值; e 拟合习(n/N)一口曲线方程,求解习(n/N)=1时的i值
该值即为疲劳极限应力
2试验报告 应包括以下内容 试验目的及要求; a b 试验方法; 试验条件及试验齿轮; c d 试验数据及处理结果; 损伤分析; e f 试验单位、报告人、审核人、日期
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GB/T14230一2021 附 录 A 资料性 试验夹具设计 A.1夹具要求 齿轮弯曲脉动试验分为单齿加载和双齿加载两种形式
因能量相对集中,宜采用单齿加载形式 无论哪种形式,夹具设计时都应符合8.1.2.2的规定
A.2载荷作用点E的位置计算 A.2.1单齿加载 A.2.1.1载荷作用点E的位置应靠近齿顶在有效渐开线齿面上,如图A.1和图A.2
安装计算前,应 点的所在圆的半径，和压力角cE
先得到E A.2.1.2如果将试验齿轮的轮齿支撑在夹具上如图A.1),支撑齿的支撑点高度H的计算见公式 A.1 w H =h1十h-w=h十r;
sinag (A.1 式中 试验齿轮中心线高度,单位为毫米(mm); h 载荷作用点E到试验齿轮中心的垂直高度,单位为毫米( mm w 过载荷作用点E的公法线长度,单位为毫米(m mm; r”R -载荷作用点E的圆半径,单位为毫米(mm) 载荷作用点E处的压力角,单位为度(")或弧度(rad).
aE 标引序号说明 -试验齿轮齿顶圆半径,单位为毫米(mm); 试验齿轮基圆半径,单位为毫米(mm). 图A.1依靠试验齿轮轮齿支撑的加载夹具示意 19
GB/T14230一202 A.2.1.3如果将试验齿轮的整体夹紧在夹具上如图A.2),受压齿的受力点高度H的计算见公式 A.2) (A.2 H=h1十h
=h十rE”sinaE 图A.2将试验齿轮夹紧固定的加载夹具示意 A.2.2双齿加载 对于双齿加载形式，,一旦齿轮几何参数确定,载荷作用点E点就是确定的,其计算过程见公式 A.3)公式A.5). a 跨齿数k 4rtana)十2inva+0.5 -(c一- T一2tana k， (A.3 式中: 跨齿数,按四舍五人取整; 试验齿轮齿数; -齿顶压力角,单位为度(")或弧度(rad); 试验齿轮的变位系数; -分度圆压力角单位为度(")或弧度(rad)
b E点处的压力角as 2.rtana -(c一2k，一1)十 A.4 tanaE 十inva 2 E点的所在圆半径r只 A.5 rE cosa 式中 r -试验齿轮基圆半径,单位为毫米(mm)
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GB/T14230一2021 附录 B 资料性 考虑置信度的统计处理方法 常规成组法下C-R-s-N曲线参数的确定 B.1 B.1.1释义 C-R-S-N曲线是考虑置信度下的R-S-N曲线,即“置信度-可靠度-应力-循环次数”曲线
B.1.2可靠寿命置信下限的计算 不同分布形式的计算如下 对于正态分布,考虑置信度c(c>50%),可靠寿命的单侧置信下限的计算见公式(B,1): a B.1 NL,R,c=丛N十kR,coN 式中 正态分布函数母体平均值; N 正态分布单侧容限系数,其值与试验点数量n,置信度C及可靠度R有关,见GB/T kR.e 4885一2009附录A; 正态分布函数母体标准差
aN b 对于对数正态分布,可靠寿命的单侧置信下限的计算见公式(B.2).: NLR.c=expLAi十kRcdi灯 B.2 式中 对数正态分布函数母体对数平均值; 从nN -对数正态分布函数母体对数标准差
onN 对于威布尔分布,P(N.)为失效概率P(NL)在置信度为C时的单侧置信下限,见公式(B. i/(n一i十1 P(Na)= (B.3 -十1+Fe. -十1),2 式中: F 自由度为2(n一i十1和2i时F分布的值,且 1-c,2(附一i+1).2n P[Fa-).3>Fc.a们-).]>1-C.
根据11.1.2~11.1.4进行寿命分布函数假设、拟合及可靠寿命计算
B.1.3C-R-S-N曲线拟合 B.1.3.1宜采用以下公式拟合S-N曲线,见公式(B.4): (B.4
NL,.R.c= o" 式中: S-N曲线方程的指数 n C S-N曲线方程的常数
B.1.3.2以各应力级相同可靠度和置信度的“应力-循环次数”作为子样,采用最小二乘法拟合,得到一 系列不同置信度和可靠度的CR-S-N曲线
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GB/T14230一2021 B.2采用升降变载法确定疲劳极限应力 置信度为C、可靠度为R下的疲劳极限应力单侧置信下限的计算见公式(B.5): (B.5 oR,c=从
十kR.cs 式中 应力平均值; 从 .S
应力标准偏差
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GB/T14230一2021 录 附 C 资料性) 常规成组法数据处理的算例 C.1试验数据 对某种齿轮以单齿加载形式进行了弯曲脉动试验,按照应力级递增把试验获得寿命数据排列,见表 C.1
表c.1齿轮弯曲疲劳试验数据 单位为次 寿命(循环次数) 序号 应力级l 应力级l 应力级业 应力级N 652.33N/mmm 679.09N/mm 732.75N/mm' 813.63N/mm 27 143659 47630 421 12880 186372 49320 28017 13095 193938 63708 s40906 16292 229256 73553 42190 16773 295289 99351 45329 21185 334698 124675 60413 31433 384912 l44093 82444 32136 477203 195170 101566 33699 564465 195520 10361l1 47206 741564 363741 149076 66240 10 数据点计算 C.2.1按公式(8)计算累积失效概率,按公式(12、公式(13)和公式(14)分别计算各个应力级的正态分 布、对数正态分布和三参数威布尔分布拟合公式所需的数据,利用极大似然法或相关系数优化法确定三 参数威布尔分布的位置参数y,见表C.2
表c.2各个应力级下拟合公式数据点计算 应力级序号 P(NE) '[P(NL1 N nN Inln n(N -P(N 143659 0,0673 -1.4961 11.8752 -2,6638 10.0131 186372 -0.9803 12.1355 -1.7233 11.0826 0.1635 121341 193938 0.2596 -0.6445 12.1753 -1.2020 11.1927 23
GB/T14230一2021 表C.2各个应力级下拟合公式数据点计算(续) D 应力级序号 nln N P(NL p-'[P(NL nN n(NL P(NL 229256 0.3558 12.3426 -0.821 一0.3698 1l.5891 295289 0.4519 -0.1208 12.5957 12.0665 -0.5086 0.5481 12.7210 12.2707 334698 0.1208 一0.2304 384912 0.6442 0.3698 12.8608 0.0329 12.482 477203 0.7404 0.6445 13.0757 0.2990 12.782 564 0.8365 0.5940 13.001 465 0,.9803 13,2436 10 741564 0,.9327 1.4961 13.5165 0.9927 13.337 2 47630 0,0673 -1.496 0.771 -2.6638 8.101 49320 0.l635 -0.9803 0,.8061 -1.723 3 8.5150 63708 0.2596 -0.6445 ll.0621 -1.2020 9.871 73553 0.3558 -0.3698 1.2058 -0.821 10.282 o 99351 0.4519 -0.1208 1l.5064 -0,508 10,9155 44331 1.7335 -0,2304 124675 0.5481 0.1208 11.294 144093 0.6442 0.3698 ll.8782 0.0329 1l.5105 6 195170 0.7404 0.6445 12.181 0.2990 1l.9240 195520 0,.8365 0,9803 12.1834 0.594 o 11.9263 1o 363741 0,9327 1.4961 12.8042" 0.9927 12.674 227 421 0,0673 1.496 10.219 -2.6638 8.2509 28017 0.1635 0.9803 10.2406 1.7233 8.3955 40906 0.2596 0.6445 10.6190 1.2020 9.759 42190 0.3558 -0.821 0.3698 10.6499 9.8309 7 45329 0,4519 0,1208 10.721 -0.5086 9.9869 23590 10,5139 60413 0.5481 0.1208 1l.0090 -0.230 82444 0.6442 0.3698 11.3199 0.0329 10.9828 l0l566 0.7404 0.6445 1l.5285 0.2990 l.264 l0361 0.8365 0.9803 0.5940 l.2900 ll.5484 l49076 0,.9327 1.4961 ll.9122 0.9927 l1.7399 1288O 0.0673 1.4961 9.4634 -2.6638 6.5323 13095 0.1635 -0.9803 9,4800 -1.7233 6.8046 -0.6445 -1.2020 16292 0,2596 9.6984 8.3185 l6773 0.3558 -0.3698 9,7275 -0.821 8.429 5 21185 0.4519 -0.1208 9,.9610 --0.5086 9.104 12193 31433 0.5481 0.1208 10.3556 -0,2304 9.8647 32136 0.6442 0.3698 10.3777 0.0329 9.9006 10.4252 33699 0.7404 0,6445 0,2990 9.9761 47206 0,8365 0,9803 0,7623 0.5940 10.4635 1.4961 1.1010 0.9927 10.8976 10 66240 0.9327 24
GB/14230一2021 C.2.2采用最小二乘法对表C.2中的相关数据点按线性模型Y=A十BX进行常数项A、B和线性相 关系数厂值的计算,结果见表C.3
相关系数临界值可通过计算或查表得出,见参考文献[7]
表c3拟合公式的常数项和线性相关系数表 应力等级 8.6007×l0- 4.6045×10" 2.1671×10- 4.9760×10 -1.6352 1.1669 -1.475" -1.4477 正态分布 0.9608 0.9131 0.9473 0.9317 B 1.5403 1.6025 1.7168 1.3498 对数正态分布 -21.7249 15.6752 -16,.9076 -16.241l8 0.9933 0,.9827 0.9787 0.9745 2.,0439 1.5922 1,8260 1.882l 二参数威布尔分布 -26.3876 19.0137 -20.5666 -19.5985 0.9703 0.9511 0,.9519 0.939o B 1.0903 0.7309 0,9115 0.7326 三参数威布尔分布 -13,5869 8.,3448 -9,8216 -7.1379 0.9951 0,.9855 0.9762 0.9783 线性相关系数临界值 0.6319 0.6319 0.6319 0.6319 置信度95% c.2.3从表c.3可知,正态分布、对数正态分布、二参数威布尔分布和三参数威布尔分布的线性相关系 数均满足置信度为95%时的相关系数临界值,且三参数威布尔分布的相关系数绝对值总体优于其他 三种相关系数绝对值,因此三参数威布尔分布函数是本组试验数据的最优寿命分布函数,故应采用三参 数威布尔分布函数确定R-S-N或C-R-S-N曲线
c.2.4根据表C.3中三参数威布尔分布的线性模型参数A和B值进行形状参数和尺度参数的计算 结果见表C.4
表C.4三参数威布尔分布特征参数表 应力级I 应力级l 应力级川 应力级N 形状参数3 l.0903 0.7309 0.91l5 0.7326 258241 尺度参数" 90877 47827 17038 位置参数 121341 44331 23590 12193 C.3寿命计算 C3.1按公式(17)计算三参数威布尔分布的可靠寿命,见表C.5
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GB/T14230一2021 表c.5三参数威布尔分布不同可靠度下的定应力寿命 单位为次 可靠度 应力级1 应力级I 应力级 应力级N R=0.50 305857 99370 55582 22524 R=0.90 154124 48512 27640 12983 R =0,95 138281 45893 25429 12489 125140 23897 R=0.99 44499 12225 c.3.2分别考虑90%和95%置信度,按公式(B.3)计算失效概率的单侧置信下限,重复C.2步骤,再 计算此时寿命,见表C.6 表c.690"%和95%置信度下三参数威布尔分布不同可靠度下的定应力寿命 单位为次 置信度 可靠度 应力级I 应力级 应力级皿 应力级N R=0.50 40323 17122 225551 70779 R=0,.90 1l7507 38948 21234 l1171 C=90% R=0.95 105509 36831 19489 10778 R=0.99 95136 35516 18164 10535 R=0.5o 207861 64740 36970 16005 R=0.90 104184 35172 18868 10397 =95% = R=0,95 91952 33034 17095 9987 R=0.99 80929 31635 15685 9717 C.4C-R-S-N曲线拟合 C.4.1将公式(B,4)两边取对数,可以写为公式(c.1) mnlogop十logNLR.,c=logC C.1 logC ,则公式(C.1)在双对数坐标系下视为线性模型 令Y=boefn.x=oeNLke.,B一 m Y=A十BXx
采用最小二乘法将置信度和可靠度相同的各应力级上的点进行直线拟合,可得到CR-S-N 方程,并验证相关系数r
C.4.2表c.7列出了90%和95%置信度下三参数威布尔分布CR-S-N方程参数拟合结果
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齿轮弯曲疲劳强度试验方法GB/T14230-2021
齿轮是机械传动中常见的元件之一，其性能对于整个传动系统的运行起着关键作用。而其中的弯曲疲劳强度则是齿轮使用寿命的重要指标。
为了保证齿轮的弯曲疲劳强度满足设计要求，并且为了更加精确地评估齿轮的使用寿命，需要进行试验研究。而针对齿轮弯曲疲劳强度试验，国家标准化管理委员会于2021年发布了最新的标准——GB/T14230-2021。
GB/T14230-2021标准主要规定了齿轮弯曲疲劳强度试验时的试验方法、设备要求、试验过程、试验结果计算及报告编制等方面的内容。该标准将齿轮弯曲疲劳强度试验分为全尺寸试验和模拟试验两种方式，同时还规定了试验所需材料的选择、试样的制备、试验负荷的应用等方面的具体细节。
除此之外，GB/T14230-2021标准还对试验设备的选用、检定和使用进行了详细的说明，保证试验结果的准确性和可靠性。同时，该标准还对试验过程中可能出现的问题及其处理方法进行了介绍，为试验操作提供了指导。
总之，GB/T14230-2021标准的发布将为齿轮弯曲疲劳强度试验提供更加清晰、规范的技术要求，有助于提高试验的准确性和可靠性，为齿轮设计、制造及使用提供科学依据。
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