国家标准 GB/T14229一2021 代替GB/T14229一1993 齿轮接触疲劳强度试验方法 Testmethodofsurfaeecontactstrengthforgearloadcapaecity 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/T14229一2021 目次前言范围 2 规范性引用文件术语和定义、代号 3 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 6 试验方法 6.1总述 6.2常规成组法 6.3少点组合法 6.4升降变载法 6.5 阶梯增载法 6. 其他方法 6,7试验方法的比较试验装备 7.1试验机 7.2试验齿轮失效判据 8.1判别方法 8.2判别准则 12 试验程序 9.1准备 11 9.2预备试验 12 9.3正式试验 12 9.4试验点的补充与剔除 18 13 9.5失效分析 13 0试验数据的统计处理 13 0.1常规成组法和少点组合法 16 10.2升降变载法 16 0.3阶梯增载法 17 + 1试验报告 18 附录A资料性考虑置信度的统计处理方法
GB/T14229一202 20 附录B资料性常规成组法数据处理的算例 25 附录C资料性升降变载法数据处理的算例 27 附录D(资料性阶梯增载法数据处理的算例 29 参考文献
GB/T14229一2021 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/T142291993《齿轮接触疲劳强度试验方法》,与GB/T14229-1993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、不同修形方式等条件下齿轮的抗接触疲劳性能",“适用”的内容从“其他金属齿轮”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) 更改了表1中的部分代号(见表1,1993年版的表1); c ,分别编为第4章和第5章(见第4章和第石章,l93年版的 d)增加了“试验原理”和“试验目的” 第4章和第5章) 在第6章中纳人了原文件第8章的内容(见第6章,193年版的第8章7 e “阶梯增载法"(见6.4和6.5,1993年版的第4章) f 在第6章试验方法中增加了“升降变载法” 第7,8,9,10各章分别相对原文件的第5、6、7、9各章进行了修改,其中增加了9,4“试验点的补 g 充与剔除”(见第7章一第10章和9.,4,1993年版的第5章一第7章和第9章); h)更改了附录A,增加了考虑置信度的统计处理方法,将原文件附录A的内容纳人了7.1.2(见 7.1.2和附录A,1993年版的附录A); 更改了附录B,增加了常规成组法数据处理的算例,将原文件附录B的内容纳人了7.2(见7.2 和附录B,1993年版的附录B) 更改了附录C,增加了升降变载法数据处理的算例,将原文件附录C的内容纳人了10.1.4(见 o.1.4和附录C,1993年版的附录C)1 k)增加了附录D 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;郑州机械研究所有限公司中机生产力促进中心,郑州中机轨道交通装备科技有限公司,陕西法士特齿轮有限责任公司、郑州航空工业管理学院、重庆大学,綦江齿轮传动有限公司、江苏中工高端装备研究院有限公司、广东产品质量监督检验研究院,珠海格力电器股份有限公司,东莞市德晟智能科技有限公司,郑州高端装备与信息产业技术研究院有限公司、洛阳科大格尔传动研究院有限公司本文件主要起草人:刘忠明、王志刚、李金峰、李纪强、张敬彩、张海涛、杨蚓坤、王振、刘怀举王长路、陈志约、管洪杰、钟成堡、李裕昆、吕泮功,吴清锋,颜世铛、范瑞丽,李海霞、杨小勇,李五田邓效忠、王海霞、魏沛堂、程中甫、张志宏汤结贵、陈卓、格日勒图、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/T14229一1993,本次为第1次修订
GB/T14229一2021 齿轮接触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接触疲劳强度试验的原理、目的、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面接触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接触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/T3358.1统计学词汇及符号第1部分;一般统计术语与用于概率的术语 GB/T3480.1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直齿轮和斜齿轮承载能力计算第2部分齿面接触强度(点蚀)计算 GB/T3480.2 GB/T10095(所有部分圆柱齿轮精度制 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.,2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 As 试验齿轮单个齿面点蚀面积之和 mm Asw 试验齿轮单个齿面工作表面积 mm Anm 试验齿轮副主动轮全部齿点蚀面积之和 mm 试验齿轮副主动轮全部齿工作表面积之和 AiTw mm 试验齿轮副被动轮全部齿点蚀面积之和 AT mm 试验齿轮副被动轮全部齿工作表面积之和 A2Tw mm" 试验齿轮箱中心距 mm 工作齿宽 mm S-N曲线方程常数;置信度
GB/T14229一2021 表1代号含义及单位(续代号单位修正后的s-N曲线方程常数第j条可参考的s-N曲线方程的常数试验齿轮小轮分度圆直径 d mm F 端面内分度圆周上的名义切向力各应力级对应事件出现次数 K 使用系数接触强度计算的齿间载荷分配系数 K! 接触强度计算时的螺旋线载荷分布系数 KD K，均载系数 K 动载系数正态分布单侧容限系数 kR, 应力级数齿轮模数 mm S-N曲线方程指数修正后的SN曲线方程指数应力循环次数 N 试验齿轮齿面应力循环次数 NL 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,e N 齿面接触疲劳区上临界点的循环次数 N 齿面应力循环基数试验点总数快速测定法试验循环次数 7R 可靠度 R 单齿点蚀面积率 % % R 齿轮副点蚀面积率 R2 平均最大高度粗糙度值 Am 试验有越出点时的失效试验点数 N/mm 应力升降法应力标准偏差 T 加载转矩的平均值 Nm T 加载转矩的最大值 N”m 1mx 齿数比，您/e 弹性系数 Vmm
GB/T14229一2021 表1代号,含义及单位(续) 代号单位节点区域系数 Z1 Z 润滑剂系数 Z 粗糙度系数 Zv 速度系数 Z 齿面工作硬化系数接触强度计算的尺寸系数 2 接触强度计算的螺旋角系数接触强度计算的重合度系数 Z 威布尔分布函数的形状参数威布尔分布函数的位置参数升降变载法应力增量 N/mm Ao 威布尔分布函数的尺度参数正态分布丽数的母体平均值对数正态分布丽数的母体对数平均值 laN 升降变载法应力平均值 N/mm" 升降变载法试验齿轮齿面接触应力 N/mm d'e 试验前预估疲劳极限应力 N/mm" 试验齿轮计算齿面接触应力 N/mm 试验齿轮接触疲劳极限应力 N/mm oHlmm 齿面粗糙度系数不为1时的试验齿轮齿面接触应力 d N/mm 试验齿轮静强度最大齿面应力 N/mm oHse 循环次数为5×10'时的R-S-N曲线应力计算值 N/mm 正态分布函数的母体标准差 O 循环数为N，时R-SN曲线应力计算值 N/mm" 可靠度R下的齿面接触疲劳极限应力 N/mm OR 置信度和可靠度R下的齿面接触疲劳极限应力单侧置信下限 N/mm oR,c 阶梯增载试验应力级 N/mmm 疲劳极限应力 N/mm" 第条参考s-N曲线的疲劳极限应力 N/mm”" dwel 对数正态分布函数的母体对数标准差 GnN N/mm 升降变载法初始齿面接触应力试验原理 4.1通过使试验齿轮副在受控载荷下进行啃合运转,测定齿面发生接触疲劳失效(或超过齿面应力循环基数N.后失效)时的循环次数,或测定给定循环次数(例如N,)下齿面发生接触疲劳失效时的应力
GB/T14229一202 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接触承载能力的“应力-循环次数”曲线或“载荷-寿命”曲线',或用以对不同材料、不同工艺、不同修形方式等条件下齿轮的接触疲劳性能进行对比试验原理示例见图1 标引序号说明 -驱动装置试验齿轮箱l; -可控加载装置; 转矩转速传感器、计数器等; 试验齿轮箱2 图1试验原理示例 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,通过对试验数据的处理,可以获得该类齿轮的接触疲劳极限应力或S-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 a 对于高周疲劳寿命设计,应测定耐久性疲劳极限应力; b)对于有限寿命设计,应测定对应寿命区间的S-N曲线; c 当a)和b)同时要求或没有明确要求时,应测定完整的S-曲线试验方法见第6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接触疲劳性能的影响这些因素包括但不限于齿轮材料; 齿轮热处理; -机加工工艺(磨、剃等); 1) “应力-循环次数”曲线或“载荷-寿命”曲线即S-N曲线
GB/T14229一2021 表面处理(如镀层、喷丸、超精加工等); 加工流程; 齿轮几何参数; 齿面修形润滑油; 工作温度; 节圆线速度 5.2.2依据5.2.1的对比,可以优化齿轮的材料、工艺、润滑条件等为提高效率,经充分评估后,宜在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6.4或6.5要求进行试验 5.3其他除5.1和5.2以外,其他试验目的可由研究人员自行设定例如探讨齿轮接触疲劳的失效机理,制定齿面损伤的抑制方法等试验方法 6.1总述 6.1.1当齿面出现接触疲劳失效,或应力循环次数达到循环基数N而齿面未失效(称为“越出点”)时，试验终止并获得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” 6.1.2齿轮接触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,应根据试哈目 l的和试验周期,进行合理选择 6.1.3试验齿轮的齿面接触应力应根据GB/T3480.1和GB/T3480.2按公式(1)计算(其中“”号用于外哒合, ”号用于内啮合) (u王IK K，K、 K K Z l o Z b“4 式中 Zm -节点区域系数; Z -弹性系数接触强度计算的重合度系数接触强度计算的螺旋角系数; 速度系数 -润滑剂系数接触强度计算的粗糙度系数齿面工作硬化系数 Z 么 -接触强度计算的尺寸系数; 分度圆上端面切向载荷,单位为牛顿(N): 使用系数 s -均载系数,本文件中K,=1; K K -动载系数 K 接触强度计算时的齿间载荷分配系数接触强度计算时的螺旋线载荷分布系数 K8
GB/T14229一202 试验齿轮小轮分度圆直径,单位为毫米(n mm; d b 工作齿宽,单位为毫米(G mm; 齿数比，怎/1 6.2常规成组法 6.2.1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),也可用于预估齿面接触疲劳极限应力dm lno 6.2.2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2 最高应力级试验点的循环次数应不少于1X10,最低应力级应有越出点 6.2.3当以不同材料、不同工艺、不同修形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 o 60%olm 140%oim AQ0 1209%o s情a -XX ×XX x× G (3 80%o面m 10 10 10r NMo10 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2常规成组法示意 6.3少点组合法 6.3.1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,也可用于预估齿面接触疲劳极限应力 ,或可用于不同材料,不同工艺、不同修形条件下试验齿轮接触疲劳性能的对比测试 dHlhm, 6.3.2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3,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/T14229一2021 160%onmn 10%o的a 120%ohmn olin 80%olim S 0 105 106 10" No10" 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少点组合法示意 6.4升降变载法 6.4.1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面接触疲劳极限应力oHim 6.4.2试验中,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”应配对出现通常取4个6个应力级,相邻应力级的差值宜取Ag=(0.04~0.06)a',考虑试验周期,所需试验点总数不官少于16个最后的有效试验点后的预测点应与第一个有效点同级见图4 G o o o4 标引序号说明失效点; 越出点图4升降变载法示意
GB/T14229一2021 6.5阶梯增载法 6.5.1该法是基于Palmgrenm -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疲劳极限应力该法特别适用于不同材料、不同工艺、不同修形条件下,试验齿轮接触疲劳性能的快速对比试验当已有试验数据较多时,该法也可用于齿面接触疲劳极限应力oul的大致测定 6.5.2试验时,首先预估疲劳极限应力口'm,以初始应力级oa'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n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,+ ,十公继续试验,直至失效见图5 应注意,在最后的应力级下,试验齿轮不应出现除接触疲劳外 =d 其他形式的损伤 o！可能的疲劳曲线标引序号说明静强度最大齿面应力 oHa 预估疲劳强度极限应力 a 图5阶梯增载法示意 6.6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 6.7试验方法的比较对6.2一6.5不同的试验方法所需要的试验点数、所得的处理结果、占用的试验周期进行比较,见表2 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 R-SN曲线 sN曲线试验周期 olm 常规成组法有限寿命” 有限寿命" 高周疲劳寿命",b" 最长少点组合法有限寿命" 高周疲劳寿命较短
GB/T14229一2021 表2各种试验方法的对比续》可得结果对比试验方法疲劳极限应力 R-S-N曲线 SN曲线试验周期 oHlimn 较长升降变载法高周疲劳寿命阶梯增载法高周疲劳寿命" 最短注: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 7.1试验机 7.1.1要求 7.1.1.1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 80 160 mm,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 mm一 40m/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 b 有足够能力补偿齿轮,轴承,密封件等处的功率损失; 试验过程中发生异常或齿轮断齿时可自动停机 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% g 7.1.1.2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 7.1.2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(2),计算值不大于1.05 Tma K来= T 式中 T -加载转矩最大值,单位为牛顿米(Nm) lmax T -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
GB/T14229一2021 7.2试验齿轮 7.2.1主要参数 7.2.1.1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,=3mm8mm,精度应满足GB/T10095(所有部分)规定的4级一6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断齿或胶合现象 7.2.1.2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,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机中心距法向模数压力角螺旋角齿宽 nmm mmm mm 80~120 14.527.5 0一25 3一5 l030 120160 14.527.5 155o 030 7.2.2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 表4关于试验齿轮的技术要求要项目分项应尽可能选用齿数比接近1的互质齿数对于修形试验齿轮,应就齿面接触应力分布进行儿何设计具体分析,并就齿形基本设计参数,齿面修形方式、修形量进行详细记录设计应保证试验齿轮在各个应力级具有足够的弯曲疲劳强度和抗胶合承载能力,避免发生其他强度分析形式的失效应对材料冶炼设备、治炼工艺进行必要控制和记录,并就化学成分、低倍组织、淖透性等物材料控制" 化指标进行检测切割留存试样1件一3件要求同一批试验齿轮材料应来自同一冶炼炉号,并就铸件尺寸、锻造设备、锻造比、锻造工毛坯成形" 艺及锻后热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合理制定预备热处理与最终热处理工艺规范,记录设备型号、控制精度及介质类别等,全部热处理试件应尽可能同炉处理,留存1件一3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几何及精度检测齿面采用功能涂层、光整加工等强化处理的试验齿轮,应详细记录工艺参数、设备型号、控强化处理" 制精度等,并就强化工艺实施后的相关指标进行检测 10
GB/T14229一2021 表4关于试验齿轮的技术要求续项目分项要求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/"T10095.1和GB/T10095.2 几何精度" 应为4级一6级对于成品试验齿轮,抽样在节圆位置沿与齿面垂直方向进行表层硬度梯度与心部硬度检内在质量" 测,对马氏体,碳化物、残留奥氏体及心部组织等进行检测检测对于成品试验齿轮,抽样在节圆位置沿与齿面垂直方向进行表层残余应力检测残余应力齿面粗糙度"对于成品试验齿轮,抽样检测节圆位置处沿齿席方向和沿齿向的表面粗糙度磨齿烧伤" 对于成品试验齿轮,检测齿面磨齿烧伤情况参见HB7717一2002 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应编号涂油存放,避免发生锈蚀等损伤存储” 重点控制性项目 -般控制性项目失效判据 8 8.1判别方法以试验齿轮齿面点蚀损伤程度作为齿面接触疲劳失效的判据判别方法有以下两种单齿点蚀面积率的计算见公式(3) a 3 R、- Asw 式中单齿点蚀面积率,%; Rs 试验齿轮单个齿面点蚀面积之和,单位为平方毫米(mm') As A -试验齿轮单个齿面工作表面积,单位为平方毫米(mm=) sw b齿轮副点蚀面积率的计算见公式(4) 1 A R下一 A A AiITw 2Tw 式中: RT 齿轮副点蚀面积率,%; A 试验齿轮主动轮全部齿点蚀面积之和,单位为平方毫米(mm=) A 试验齿轮被动轮全部齿点蚀面积之和,单位为平方毫米(mm=) ATw 试验齿轮主动轮全部齿工作表面积之和,单位为平方毫米(mm') ATw 试验齿轮被动轮全部齿工作表面积之和,单位为平方毫米(mm') 8.2判别准则 8.2.1对于非表面硬化齿轮,点蚀一般会在所有齿面上出现当试验齿轮副的硬度相等或相近时,设定的点蚀损伤极限值见公式(5): R=2% 当达到公式(5)的值时,应判定该齿轮副失效 1
GB/T14229一2021 8.2.2对于表面硬化齿轮(包括渗碳、渗氮、碳氮共渗、火焰或感应淬火齿轮),点蚀一般首先在少数齿面上出现设定的点蚀损伤极限值见公式(6)、公式(7): R、=4% 或 R下=0.5% 当达到公式(6)的值时,应判定对应的齿轮失效;当达到公式(7)的值时,应判定该齿轮副失效 8.2.3齿面应力循环基数N,一般设为5×10' 当试验应力循环次数达到N而齿面点蚀未达到损伤极限时,试验可停止并判定该试验点越出 9 试验程序 g.1准备 g.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 g.1.2清洗试验齿轮后目测检查,齿面不得有腐蚀、锈蚀或其他形式的损伤,然后应对试验齿轮、轮齿及齿面进行编号 9.1.3对试验机进行校核 9.1.4按试验机要求安装试验齿轮 9.2预备试验 9.2.1检查试验齿轮齿面接触情况加载至试验载荷后,齿面接触斑点沿工作齿宽方向应不小于 0%沿齿高方向应不小于80% 9.2.2以低于预估接触疲劳极限应力50%对应的载荷值进行一定时长不宜少于2h)的跑合试验,观察运行情况 9.2.3根据第6章要求,划分试验应力级,必要时应对每个应力级先期进行1个或2个试验点试验,以判定应力级设置的合理性 9.3正式试验 9.3.1应按预备试验确定的应力级开始正式试验 9.3.2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 9.3.3试验中应根据应力级的大小确定齿面检查时间间隔试验初期可用10倍放大镜观察齿面,并应按照如下方法处理: 如果发现点蚀损伤但尚未达到损伤极限,继续试验并根据损伤形貌及扩展趋势缩短以后检查 a 的时间间隔; 如果点蚀面积率超过损伤极限,取本次检查时间间隔的中间点作为齿面失效的时间终点 b 如果试验过程中先期出现了其他损伤,如非正常磨损、轻微胶合等,详细记录损伤变化情况,改善润滑条件和运转参数如果出现中等及以上的磨损胶合或发生轮齿断裂,判齿轮非接触疲劳失效,该组数据不能作为试验点 9.3.4应对点蚀损伤的形貌、位置、齿面序号及应力循环次数进行跟踪检查,并做好记录例如覆膜或拍照 12
GB/T14229一2021 g.4试验点的补充与剔除 9.4.1补充 9.4.1.1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10.1.3),应补充试验点对于正态分布,可采用1分布理论确定最少有效试验点数 9.4.1.2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个试验点的稳定若稳定误差不能满是要求,应补充试验点误差宜小于0.5% 9.4.1.3使用其他试验方法,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 g.4.2剔除 9.4.2.1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正态分布,宜采用肖维涅准则、格拉布斯法等选定方法被判定为过大数据时,应进一步分析该试验点当某一试验点的循环次数按照9.4.21 9.4.2.2 的加载是否有误如果是,应剔除该试验点 g.4.2.3当某一试验点的循环次数按照9.4.2.1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一点是,应剔除该试验点 9.5失效分析试验目的有要求时应进行失效分析应结合齿面点蚀形貌,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 0试验数据的统计处理 10.1常规成组法和少点组合法 0.1.1给定应力级下寿命的概率分布 10.1.1.1 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(8)或公式(9): 无越出点时 NGB/T14229一2021 10.1.2寿命分布函数假设 -般采用正态分布、对数正态分布或三参数威布尔分布进行分布检验,确定分布函数三种分布函数的表达分别见公式(12)公式(14): 正态分布 N N (12 P(N)=中 oN 对数正态分布 lnN 丛N P(N,)=中 13 onN 三参数威布尔分布 14 P(NL)=1一exP 公式(12)~公式(14)中: 齿面应力循环次数; N 正态分布函数母体平均值; 丛N 正态分布函数母体标准差; 口N 对数正态分布丽数母体对数平均值; nN 对数正态分布函数母体对数标准差口nN 8 威布尔分布函数的形状参数; 威布尔分布函数的尺度参数 -威布尔分布函数的位置参数,当y=0时,公式(14)简化为两参数威布尔分布函数 10.1.3寿命分布函数拟合与优度检验 10.1.3.1宜采用最小二乘法进行寿命分布的拟合与优度检验,具体步骤为: 采用公式(10)或公式(11)计算P(N); a b)当按照正态分布拟合时,应按照公式(15)计算 (15 [P(NL)]=一(N一4N) 当按照对数正态分布拟合时,应按照公式(16)计算 (16 "[pP(N.)]-lnN.一Aa) 当按照威布尔分布拟合时,应按照公式(17)计算 (17 -=[ln(N一y)-ln们 lnln行 T 10.1.3.2分布函数的线性相关系数应满足线性相关系数临界值的要求当线性相关系数最小值同时满足两种以上分布时,应优先选用线性相关系数绝对值较大的分布 0.1.3.3不同可靠度下R=S-N曲线的各应力级应选取同一类型的分布 0.1.4R-S-曲线参数的确定方法如下按确定的寿命分布丽数计算不同可靠度R下的可靠寿命NLR: a -对于正态分布,计算见公式(18) 十ap-l(1一R N 18 LR=N 对于对数正态分布,计算见公式(19): (19 VL.R=exp[4inN十o中'(I一R)] 14
GB/14229一2021 -对于三参数威布尔分布,计算见公式(20): 一l NL.R 20 Y b)拟合S-N曲线,宜按照公式(21)计算 21 晋NL.R= 式中; S-N曲线方程的指数 m2 S-N曲线方程的常数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,得到一系列不同可靠度下的R-S-N曲线 10.1.5C-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A 0.1.6s-N曲线斜率的修正 10.1.6.1当按公式(I)计算o时,若Z值不等于1.0,则应修正S-N曲线的斜率 10.1.6.2修正后的S-N曲线方程参数的计算见公式(22)一公式(25) lnN一lnN 71 na甫一lna0 dN 23 式中接触疲劳区上临界点循环次数; 24 aH 25 ol0 修正前后的S-N曲线见图6 o 标引序号说明 N -加载循环次数; -应力值,单位为牛顿每平方毫米(Nn /mm'; a -未修正的sN曲线,;NL=c 修正后的SN曲线,o件N=C 图6s-N曲线斜率的修正 15
GB/T14229一2021 10.1.7算例见附录B 0.2升降变载法 10.2.1根据6.4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 10.2.2将应力级按升序排序,见公式(26 26 d 3)可参考的S-N曲线方程见公式(34): 34 口; N，=C =1,2,, G 式中 -第条可参考的S-N曲线的极限应力值; oim/ -第条可参考的S-N曲线方程的常数 16
GB/T14229一2021 其中一条参考的S-N曲线应选取与试验齿轮材料、工艺相同或相近的曲线,其余参考的SN 曲线可由该曲线平移变换得到将应力级分别代人」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a的n,/N值及参考s-N曲线的习(n,//N)值; e 拟合习(n/N)一i曲线方程,求解习(n/N)=1时的oi值该值即为疲劳极限应力试验报告应包括以下内容: 试验目的及要求; a b 试验方法; c 试验条件及试验齿轮; d 试验数据及处理结果; 损伤分析; e 试验单位.报告人.市核人.日期 17
GB/T14229一2021 附录 A 资料性) 考虑置信度的统计处理方法 A.1采用常规成组法确定C-R-S-曲线的参数 A.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 A.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(A.): a NL.R.c=从N十kR.cdN A.1 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 kR.c GB/T48852009附录A: 正态分布函数母体标准差 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(A.2). (A.2 NL,k.c=exp['I十kR.cdN 式中 -对数正态分布函数母体对数平均值 'inN 对数正态分布函数母体对数标准差 GlnN 对于威布尔分布，P(NL为失效概率P(N在置信度为C时的单侧置信下限,见公式(A.3): i/(n一i十l .(A.3 P(N)- n一i十1)十F-c,.2(w一+1).2 式中 F 自由度为2(n一i十1和2i时F分布的值,且 -C,2(n一i1,2 P[Fe-,.a>F-c.a-).a]>1-C 根据10.1.2~10.1.4进行寿命分布函数假设、拟合及可靠寿命计算 A.1.3C-R-S-N曲线拟合 A.1.3.1宜采用以下公式拟合S-曲线,见公式(A.4). o骨 N.R.c=C (A.4 式中 m-s-N曲线方程的指数 C S-N曲线方程的常数 A.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C-R-S-N曲线 A.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下的疲劳极限应力置信下限的计算见公式A.5) 18
GB/T14229一2021 A.5 oR.,c=M 十尺R.,cS 式中: 应力平均值; 应力标准偏差 19
GB/T14229一2021 附录 B 资料性) 常规成组法数据处理的算例 B.1试验数据预处理 B.1.1按照应力级递增把试验获得寿命数据排列,见表B.1 表B.1齿轮接触疲劳试验数据单位为次寿命(循环次数序号应力级1 应力级l 应力级业应力级N 应力级V 1535N/mm 1617N/mm" 1700N/mm 1895N/mm 450N/mm" 17658990 12102050 7220023 5230125 2145800 20568750 16593440 1622593 7242708 2910000 28457800 13456220 7964981 5454465 2724440 33546892 4335759 10214932 10888769 2085829 18216400 8746319 2252695 25647811 5625938 23298530 11234859 6733629 5045621 254326o 18983749 15611120 8345673 5673210 2419710 33289910 19345670 9721475 6353548 1970400 50000000 50000000 10 50000000 B.1.2对每一应力级寿命样本按递增顺序排列并排除越出点,结果见表B.2 表B.2齿轮接触疲劳试验数据排序单位为次寿命(循环次数序号应力级应力级l 应力级应力级I 应力级V 1450N/mm 1535N/mm" 1617N/mm 1700N/mm" 1895N/mm 17658990 6733629 4335759 1970400 10214932 11234859 5045621 18983749 7220023 2085829 2056875o 12102050 7964981 5230125 2 145800 23298530 13456220 8345673 5454465 2252695 25647811 15611120 8746319 5625938 2419710 9721475 28457800 16593440 5673210 2543260 33289910 18216400 10888769 6353548 2724440 33546892 19345670 l1622593 7242708 2910000 20
GB/T14229一2021 B.2给定应力下分布函数的确定 B.2.1按公式(11)计算累积失效概率,按公式(15、公式(16)和公式(17)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,结果见表B.3 表B.3各个应力级下拟合公式数据点计算应序 V P(NL p(P(N lnN lnln ln(N " P(N 17658990 0.0833 16.6868 1.3830 -2.4417 l4.0889 18983749 0,2024 -0.8331 16,7591 -1.4867 14.7860 20568750 0.3214 -0.4637 l6.8393 -0.9474 15.2563 23298530 0,4405 -0.1498 16,9639 -0.5436 15.754 16344543 2564781l 0.5595 0.l498 17.0600 -0.1986 l6.0459 28457800 0.6786 0.4637 17.1639 0.1266 16.3098 33289910 0.797 6 0.8331 17.3208 0,4685 16.6455 0.9167 1.3830 16.6606 33546892 17.3285 0.9102 10214932 0.0833 1.3830 16.1394 -2.441 14.0457 11234859 0.2024 0.8331 l6.2345 -l.4867 14.639 12102050 0.3214 -0.4637 16.3089 0.947 14.961 13456220 0,4405 -0.1498 16,4150 -0,5436 15.3196 8956079 0.5595 16.5635 0.1986 15.7109 15611120 0.l498 16593440 0.6786 0,4637 16.6245 0,1266 15.8486 0.797 6 16.717 0.4685 16.041 18216400 0.8331 19345670 0.916" 1.3830 16,7780 0.9102 16.1563 6733629 0,0833 1.3830 15.7226 -2.44 13.385 220023 0.2024 -0.8331 15.7925 1.4867 13.9436 7964981 0.321 -0.4637 15.8906 -0.947 14.447 8345673 0.4405 -0.l498 0.5436 15.937 14.631 6083360 8 746319 0.5595 0,1498 15.984 -0.1986 14.794 9721475 0,6786 0,4637 l6.0898 0.1266 15.107 10888769 0.7976 0.8331 16.2032 0.4685 15.3853 11622593 0.9167 1.3830 16,2685 0.9102 15.527 4335759 0.0833 1.3830 15.282 -2.441 13.8082 5045621 0,2024 -0.8331 15,.4340 -1.4867 14.347 5230125 0.3214 -0.4637 15.4699 -0.9474 l4.4505 5454465 0.4405 -0.1498 15.5119 0.5436 14.5629 3343058 5625938 0.5595 0.l498 15.5429 -0.1986 14.6409 5673210 0.6786 0.4637 15.5513 0.1266 14.661 6353548 0,7976 0.8331 15.6645 0,4685 14.9176 7242708 0.9167 1.3830 15.7955 0.9102 15.1764 21
GB/T14229一2021 表B.3各个应力级下拟合公式数据点计算(续) 应序 N P(N. pl(P(N) lnN ln(N 力 ln \n 一PN 号级 1970400 0,0833 -1.3830 14.4937 -2.4417 11.6099 2085829 0.2024 -0.8331 14.5507 -1.4867 12.3266 0.3214 -0.4637 14.579o 2145800 -0.9474 12.5623 2252695 0,4405 -0.1498 14.6276 -0.5436 12.8802 1860221 2419710 0.5595 0,1498 14.6992 -0.1986 13.2348 2543260 0.6786 0,4637 14.7490 0.1266 13,4343 2724440 0.7976 0.8331 14.8178 0.4685 13.6696 2910000 0,9167 1.3830 14.8837 0.9102 13,8641 B.2.2采用最小二乘法法对表B.3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"值的计算，结果见表B,4 相关系数临界值r 可通过计算或查表得出,见参考文献[7] 表B.4拟合公式的常数项和线性相关系数表应力级I 应力级l 应力级应力级应力级V 1.4222×10-" B 2.6494X10" 5.1498×10" 1.0016×10 2.7099x 10 A 正态分布 -3.5813 -3.8673 -4.5861 -5.6290 -6.4536 0,.9735 0,9854 0.9839 0.9697 0.9860 B 3.807 5.7689 3,5970 4.6724 6.5615 -61.2044 -62.6240 -74.6926 -89,6005 -96.2899 对数正态分布 A 0,9805 0,9859 0.9914 0.9784 0.9909 B 1.1757 1.4584 1.5010 2.6377 l.4390 -18.9652 -22.8866 -22.5078 三参数威布尔分布 -38.9469 -19.1463 0.9913 0.9919 0,.9962" 0.9769 0.9969 线性相关系数 0,878 0.878 0.878 0.878 0.878 临界值置信度95% B.2.3从表B.4可知,正态分布、对数正态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均大于其他两种分布相关系数绝对值,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CR-S-N曲线 B.2.4根据表B.4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B.5 2
GB/T14229一2021 表B.5三参数威布尔分布特征参数表三参数威布尔分布应力级1 应力级应力级应力级N 应力级V 1.1757 2.6377 形状参数8 1.4584 1.5010 1,4390 1.0127×1o 6.5363×10" 3.2538×10" 2.5859×10" 6.0015×1o9 尺度参数" 16344543 8956079 608336o 3343058 1860221 位置参数y 不同置信度,不同可靠度下的寿命计算 B.3 按公式(20)计算三参数威布尔分布的可靠寿命,见表B,6 B.3.1 表B.6三参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l 应力级l 应力级m 应力级N 应力级V R=0.50 23759282 14039858 8632226 5593517 2325432 R=0.90 10353091 6809923 4444836 1985856 17838109 R =0.95 17154253 9808873 6533139 4181695 1936407 R=0.99 16546959 9234991 6235201 3795124 1884766 B.3.2分别考虑90%和95%置信度,按公式(A.3)计算失效概率的单侧置信下限,重复B.2步骤,再计算此时的可靠寿命,见表B.7 表B.790%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l 应力级业应力级N 应力级V R =0.5 20570986 12220658 7686166 5035938 2147231 R =0.9 15555604 8309369 6021013 3843599 1844299 C=90% R=0.95 l4810877 7474890 5716026 3540662 1791367 14022207 3057039 1728221 =0.99 6315690 53391l6 19767978 1677741 7436558 21o1237 R=0.5 4879744 14485311 7448566 5706409 3641323 1783346 R=0.9 C=95% R=0.95 13598777 6451458 1722130 5362377 3312870 R=0.99 12572356 4952700 4909807 2769776 1643553 B.4C-R-S-N曲线拟合 B.4.1将公式(A.4)两边取对数,可以写为公式(B.1) mlogoH十logN B.1 ,R.c=logC -1/m,A=lgcC/m,则公式(B1)在双对数坐标系下视为线性校令Y=logaH,X=logNLR.c,B= 型Y=A十BX 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 23
GB/T14229一2021 B.4.2表B.8列出了90%和95%置信度下三参数威布尔分布CR-S-N方程参数拟合结果表B.890%和95%置信度下三参数威布尔分布C-R-S-N方程参数拟合结果 mlogoH+logNL,R.c=logC a冒NL.R.c=C 相关系数置信度可靠度系数A 系数B 常数m" 常数c -0.50 9.2697 -0.1184 0.9993 8.4436 9.8150×10 R= R=0,90 9.367 -0,1267 0.9955 7.8907 1.2588×103 C=90% R=0,95 9,3748 -0.1277 0,9916 7.8278 7.4168×10 R =0.99 9.3528 -0.1971 0,.9795 7.8672 9.0276×10 R=0,.50 -0.1195 9.283l 0,.9992 8.365l1 5.3084×10 R=0.90 9.4019 -0.1295 7.721" 3.3726×10 0,.9932 C=95% 7.6367 R=0.95 9.4137 -0,.1309 0,.9863 1.6647×10 9.3724 -0.1294 7.7300 2.9099×1o R=0.99 0.9608 B4.3图B.1显示了在单对数坐标系下,95%置信度的三参数威布尔分布C-R-S-N曲线 2000 R=0.5 R=0.9 1900 R=0,95 R=0.99 1800 1700 1600 oo0o 1500 Oooooo 1400 1300 1200 10 10" 10 寿命/次图B.195%置信度的三参数威布尔分布c-R-s-曲线 24
GB/T14229一2021 附录 C (资料性) 升降变载法数据处理的算例 C.1试验数据统计 C.1.1本试验针对某种汽车用渗碳淬火齿轮 C.1.2选取4个应力级进行升降法试验,应力增量Ag5%oHim~70N/mm',经过升降法试验获得的数据见表C.1 表c.1升降法试验数据小轮接触应力试验次数循环次数是否失效 N/mm 1424 5×10 N F 7.64Xl0" 1493 1424 1.21×107 N l358 5×10 0.79×10 1424 1358 3.56X10 1287 5×10 N 1358 5×10" N 5X10 424 10 1493 16.28×10" m 424 1.02×10 N 12 1358 5×10" 424 2.29×10 13 14 N 1358 5×10 15 1424 3.6×10 16 1358 N 注:F -失效;N -越出 c.1.3将应力级按升序排列,统计失效和未失效的次数,见表c.2 表c.2升降法统计数据次数应力应力级 3 l0 16 N/mm 493 424 1358 287 总计注 -失效;N 越出 25
GB/T14229一2021 C.2试验数据处理 C.2.1将“越出”作为分析事件,计算过程见表C.3 表c.3求应力平均值与标准偏差的过程参数计算应力等级分析事件数应力 / i N/mm 424 1358 287 N -8 B =13 过程参数计算 NB =0.359>0.3 c.2.2按公式(27)和公式(28)计算应力平均值估计值!,=1401N/mm,标准偏差估计值s,= 44N/mm 疲劳极限计算按公式(A.5)计算置信度为95%、可靠度为0.99下的疲劳极限置信下限,查GB/T48852009 附录A可知友 =4.353,可得疲劳极限置信下限值d =1210N/mm 0.9995% 1.99.95% 26

齿轮接触疲劳强度试验方法GB/T14229-2021

一、概述

在机械传动系统中，齿轮是一种常见的零部件。齿轮的接触疲劳强度是指在齿面接触区域内，由于反复载荷作用所导致的疲劳损伤承载能力。有关齿轮接触疲劳强度的测试和评估已成为齿轮设计和制造的重要内容之一。

GB/T14229-2021是中国国家标准化管理委员会发布的最新标准，旨在规定齿轮接触疲劳强度的试验方法。该标准包括疲劳试样的制备、试验设备的选择和校准、试验条件的设置、试验过程的控制和数据处理等方面。

下面我们将详细介绍该标准的试验方法。

二、试样制备

试样一般采用齿轮中心距（a）为200mm的齿轮轴，其轴上焊接两侧直径为60mm，宽度为40mm的齿轮轮毂。试样材料应符合GB/T3077-2015中的有关要求。

在试样表面加工出齿形，并按照GB/T7250-2017的规定进行齿面淬火处理。淬火后，试样表面硬度应达到HRC45以上，淬透层深度应大于3mm。

制备好的试样应进行超声波检测，以排除缺陷试样。

三、试验设备的选择和校准

齿轮疲劳试验机应具有充足的扭矩和转速范围，以满足不同参数的试验需求。试验机的扭矩测量系统和转速测量系统应当符合精度要求，并应进行定期校准。

在试验机上安装试样时，应严格按照GB/T7250-2017进行装配和调整。试样的轴向力应校准，以确保试样的径向载荷和轴向载荷符合要求。

四、试验条件的设置

齿轮疲劳试验应采用双向循环载荷方式，即正反转交替施加载荷。载荷大小应根据试样的尺寸、材料和设计工作条件等因素，按照GB/T7251-2017规定计算确定。

试验过程中应测量并记录试样的扭矩、转速、温度等参数，并应在试验开始前对试验机进行空载试验和初次负载试验，以检查试验机的运行状态。

五、试验过程的控制和数据处理

试验过程中应监测试样的运行状态，如有异常应立即停机检查。试验完成后，应对试验数据进行处理，包括计算试样的疲劳寿命、绘制疲劳寿命曲线等。

试验结果应按照GB/T12534-2020标准报告，并注明试样尺寸、材料、硬度、淬透层深度等重要参数。试验报告应包括试验目的、试验方法、试验过程中所记录的数据、试验结果分析等内容。

六、总结

GB/T14229-2021作为最新的齿轮接触疲劳强度试验方法标准，规定了疲劳试样的制备、试验设备的选择和校准、试验条件的设置、试验过程的控制和数据处理等方面。通过执行该标准，可以评估齿轮材料的接触疲劳强度和寿命，为齿轮设计和制造提供科学依据。