17CrNiMo6渗碳淬火齿轮接触疲劳特性试验研究

第３２卷第８期　

２０１０年８月　舰船科学技术　ＳＨＩＰ　ＳＣＩＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　Ｖｏ１．３２，Ｎｏ．８　Ａｕｇ．，２０１０　

１７　ＣｒＮｉＭｏ６渗碳淬火齿轮接触疲劳特性试验研究　

薛志宏，陈营利，胡朝阳，张海福　

（中国船舶重工集团公司第七。三研究所，黑龙江哈尔滨１５００３６）　

摘　要：　论述了１７ＣｒＮｉＭｏ６渗碳淬火齿轮接触疲劳特性的试验研究情况。试验采用５级恒定应力水平的成　

组法，拟合出Ｒ—Ｓ—Ｎ曲线，获得了不同可靠度下的接触疲劳特性，为该材料齿轮的疲劳可靠性设计、有限寿命设计提供　了可靠的基础数据。　

关键词：　齿轮；Ｒ—Ｓ—Ｎ曲线；疲劳；可靠度　

中图分类号：ＴＨ１３２．３　文献标识码：Ａ　

文章编号：１６７２—７６４９（２０１０）０８—００８９—０３　ＤＯＩ：１０．３４０４／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—７６４９．２０１０．０８．Ｏ１８　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｃｏｎｔａｃｔ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　Ｏｆ　１　７　ＣｒＮｉＭｏ６　ｃａｒｂｕｒｉｚｅｄ・ｑｕｅｎｃｈｅｄ　ｇｅａｒｓ　

ＸＵＥ　Ｚｈｉ—ｈｏｎｇ，ＣＨＥＮ　Ｙｉｎｇ—ｌｉ，ＨＵ　Ｚｈａｏ—ｙａｎｇ，ＺＨＡＮＧ　Ｈａｉ—ｆｕ　

（Ｔｈｅ　７０３　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　ＣＳＩＣ，Ｈａｒｂｉｎ　１　５００３６，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ａｎ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｗａｓ　ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ　ｔｏ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔａｃｔ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　

１７ＣｒＮｉＭｏ６　ｃａｒｂｕｒｉｚｅｄ—ｑｕｅｎｃｈｅｄ　ｇｅａｒｓ．Ｇｒｏｕｐ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　５　ｇｒａｄｅ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｓｔｒｅｓｓ　ｗａｓ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．　

Ｒ—Ｓ—Ｎ　ｃｕｒｖｅ　ｗａｓ　ｆｉｔｔｅｄ　ｏｎ　ｃｏｎｔａｃｔ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｌｉｆｅ．Ｃｏｎｔａｃｔ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｎ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｗｅｒｅ　

ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｒｅ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｒｅｌｉａｂｌｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｆｉｎｉｔｅ　ｌｉｆｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｇｅａｒｓ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：　ｇｅａｒ；Ｒ—Ｓ—Ｎ　ｃｕｒｖｅ；ｆａｔｉｇｕｅ；ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　

０　引　言　

１７ＣｒＮｉＭｏ６是齿轮传动系统中常用的渗碳淬火齿　

轮材料之一，是传动齿轮用钢的牌号。其疲劳特性是　

实现传动系统有限寿命设计、可靠性设计的关键数据。　

当前，我国设计齿轮所用的接触疲劳极限应力值取自　

ＧＢ／Ｔ３４８０，而ＧＢ／Ｔ３４８０的数据沿用了ＩＳＯ６３３６。但国　

产材料齿轮在材料冶炼、机械加工、热处理工艺等方面　

与ＩＳＯ的试验齿轮均存在一定的差别，因此有必要对　

其进行疲劳试验研究，取得国产１７ＣｒＮｉＭｏ６渗碳淬火　

硬齿面的疲劳强度极限　值，求得这种齿轮材料在　

不同可靠度下的接触疲劳特性，为减速齿轮装置可靠　

性设计提供有实用意义的数据。　其中心距为９１．５　ｍｍ，最大扭矩为１　ｋＮ・ｍ，最大载　

荷为１３级。　

试验齿轮为标准直齿圆柱齿轮，模数ｍ＝４　ｍｍ，　

齿数ｚ＝２２，压力角ａ＝２０。，变位系数　＝０．２０３，精度等　

级为５　ｋＭ　ＧＢ／Ｔ１００９５—２００１，齿轮硬度为ＨＲＣ５８—６２。　

热处理及机加工工艺为：锻造一热处理（正火＋　

高温回火）一机加工（粗车、精车、滚齿）一热处理（渗　

碳、淬火、回火）一机加工（磨内孔、端面、外圆、磨　

齿）。经检验，齿轮平均硬度为ＨＲＣ５９．６，化学成分　

及力学性能均符合国标ＧＢ／Ｔ３０７７—１９９９的规定。磨　

齿渗碳层双面留量达０．５０　ｍｍ，单面留量０．２５　ｍｍ。　

有效渗碳层厚度０．９　ｍｍ。全部试验齿轮经过超声波　

探伤，无缺陷。　

１　试验机和试验齿轮　２　试验方法和失效判据　

试验机采用承德试验机厂生产的ＣＬ一１００型齿轮　

试验机。该机为杠杆加载封闭功率流式齿轮试验机，　２．１　试验方法　

齿轮材料在有限寿命１０　＜Ｎ＜５×１０　区间内，　

收稿日期：２０１０—０４—２０　作者简介：薛志宏（１９７１一），男，高级工程师，从事机械传动设计工作。

　・９０・　舰船科学技术　第３２卷　

寿命和应力之间有如下关系式：　

Ｓ　・Ｎ＝Ｃ。　（１）　

式中：Ｊｓ为应力，本试验为齿面接触应力ｏｒ　；Ｎ为寿　

命，即循环次数；ｍ和ｃ为试验待定系数。将上式两　

端取对数则有：　

ｌｎＮ＝ｌｎＣ—ｍｌｎＳ。　（２）　

这是１条直线方程。　在寿命１０。＜Ｎ＜５×１０　之间取几个应力水平　

（最低４～８个），在每个应力水平做１组齿轮试样的　

寿命试验，这样即可得到该定应力下寿命分布函数，　

也就是可靠性Ｒ与寿命Ⅳ的对应关系式。做几个应　力水平的试样试验，就可得到几组　—Ｊ７、ｒ对应关系式。　

将同一可靠度Ｒ对应的应力５与寿命Ⅳ按上面关系　

式进行拟合即可得到不同的Ｒ一５一Ⅳ曲线，这种方法被　

称为成组试验法。成组试验应力水平选取使试验寿　命值避开１０。与５×１０　处，以免给数据分析带来不　

便；但由于试验有许多因素不可预见，有时不可避免。　

本试验就有Ｎ《５　Ｘ　１０　的越出试验点。　

本试验采取成组试验法，应力水平取５个级　

别，分别为：ｏｒ日１：２　１０４．４，Ｏ＂Ｈ２＝１　９５５．８，ｏｒＨ３＝　

１　８４２．１，Ｏ＂／／４＝１　７１６．５，Ｏ＂Ｈ５＝１　６３７．９。　

２．２失效判据　

根据ＧＢ１４２２９—９３标准中６．２．２规定：对于表　

面硬化齿轮，当齿轮副点蚀面积率达到０．５％，或者　

单齿点蚀面积率达到４％时，即判失效。　

３　试验数据处理　

３．１试验数据整理　

试验数据定理如表１所示。　

表１　定应力下试验寿命数据　

Ｔａｂ．１　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｌｉｆｅ　ｄａｔａ　ｏｆ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｓｔｒｅｓｓ　

３．２求定应力下寿命分布概率　

１）将每个应力水平下试验寿命值按递增顺序排　

列，即：　

Ⅳｌ≤Ⅳ２≤，…，≤Ⅳ　≤，…，≤Ⅳ　。　

这就是在同一应力水平下所得的寿命子样。按中位　秩公式计算每个试验寿命所对应的失效概率：　

ｎ＜　Ｆ（Ｎ　）　。　（３）　

式中：Ｆ（Ｎ　）为第ｉ个试验寿命值所对应的失效概率；　

ｉ为试验寿命序号；ｎ为子样数。　

按公式所计算失效概率有如下关系：　

Ｆ（Ⅳ１）≤Ｆ（Ｎ２）≤，…，≤Ｆ（Ⅳ　）≤，　

…，≤Ｆ（Ｎ　）。　（４）　将Ｆ（Ｎ　）与Ⅳ　一一对应，可按统计学方法计算　

拟合寿命分布函数。　

２）定应力寿命分布　

齿面接触疲劳试验寿命试验数据分布大多服从　

正态对数分布。按对数正态分布试验数据进行处理，　

可按下面公式进行：　

ＩｎＮ＝　＋ｕｐ・ｏｒ。　（５）　

式中：ＩｎＮ为对数寿命值；　为寿命对数均值；ｏｒ为　

寿命对数标准差；ｕｐ为与可靠度Ｒ相关的正态偏差。　式（６）是１个直线方程，寿命值通过正态偏量　

与失效概率Ｆ（Ｎ　）相联系起来。采用最小二乘法进行　

试验数据拟合及进行优度检验，拟合结果如表２所示。　

表２定应力下寿命分布方程及参数　

Ｔａｂ．２　Ｌｉｆｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｓｔｒｅｓｓ　

．　．ｓⅢｚ．　ｓ．ｓ　２１０４．４　

ｌｎＮ　７．４０１１７　７．４４８０４２　７．５１８６６ｌ　７．５７８５５５　７．６５ｌ７８６　

对数正态对数正态对数正态　对数正态对数正态　

均值“　１５．９４１９９　１５．３５７３４　１４．３０５４　１４．６４１９５　１３．５９００４　标准差　０．１７６１９１３　１．１２１２９４１　０．１３１７８９１　０．１７８９１８３　０．９９１１１３　

ｓ　讹ｓ。．　盯ｚ。．９７８　一ｓ　ｏ．９９３６ｚ　

龛萎　威布尔　威布尔　威布尔　威布尔　威布尔　

均值　一２３９．４２２９—３５６．３３１４－２８５．３３９８－２１６．５２６９～３６７．８９５２　标准差　８６．２９１０９　１３０．２６９７　１０７．０６１８　８０．４９５３８　１４０．８０４９　

羹　ｒ　０．９１７７９　０．９９３５５９８　０．９４８５９８　０．９４８０９８５　０．９８９９９８５　

０．８７８　０．８７８　０．８７８　０．８７８　０．８７８　

从表２可以看出，不论是对数正态或二参数威布　

尔拟合其线性相关系数ｒ＞ｒ…，说明拟合是正确的，　

并且ｒ值高达０．９３～０．９９，说明线性度很好。本试验　

采用对数正态拟合。　

３．３　拟合　．　一Ⅳ曲线　

将Ｒ＝０．１，０．２，０．３，０．４，０．５，０．６，０．７，０．８，　

０．９，０．９５，０．９９，０．９９９，０．９９９９对应的印值代入定应　

力寿命分布公式中，得到１３组不同Ｒ对应寿命值的　第８期　薛志宏，等：１７ＣｒＮｉＭｏ６渗碳淬火齿轮接触疲劳特性试验研究　・９ｌ・　

数据（即Ｊｓ，Ⅳ数据），然后用最小二乘法对应力和寿　

命拟合一直线方程，就得到不同可靠度下的ｓ。Ⅳ曲　

线。拟合结果在表３中给出。　

表３　疲劳强度的Ｒ一｜ｓ一Ⅳ方程及参数　

Ｔａｂ．３　Ｒ・Ｓ—Ｎ　ｆｏｒｍｕｌａ　ａｎｄ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　

从表３中可看出，相关系数　＞　，说明ｓ一Ⅳ曲　

线的线性度很好。　

３．４工程实用曲线方程　

将各应力级的相同可靠度的疲劳寿命在双对数　

坐标系中用最小二乘法进行线性拟合，即得到Ｒ．ｓ．Ⅳ　直线方程为　

ｍＲｌｎＳ＋１ｎＮ＝ｌｎＣＲ。　（６）　

式中：ｓ为可靠度为Ｒ时的疲劳强度；Ｎ为疲劳寿　

命；ｍ　为可靠度为　时的指数（反映线簇斜率）；Ｃ　为可靠度为尺时的常数。　

最后得到不同可靠度下的Ｒ—ｓ一Ⅳ曲线的参数值。　

为了使用方便，给出１７ＣｒＮｉＭｏ６渗碳淬火硬齿面　

齿轮的接触疲劳强度的Ｒ—Ｓ一Ⅳ曲线方程参数和极限　应力（见表４）。设计时可供参考使用的工程曲线图　

如图１所示。　表４　Ｒ—Ｓ—Ｎ方程参数和极限应力　Ｔａｂ．４　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ａｎｄ　ｌｉｍｉｔｅｄ　ｓｔｒｅｓｓ　ｏｆ　Ｒ—Ｓ—Ｎ　ｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎ　

３．５试验结果分析　

从表４中可以看到，在高应力水平下，按对数正　态处理的寿命分布其线性显著度（即相关系数值）较　

高，而在低应力区线性显著略低。但其相关系数ｒ仍　

然大于最小相关系数ｒｍｉ　值，说明按对数正态处理定　

应力下寿命分布是合理的。　

在各个应力水平下各组寿命数据的离散度相对　

比较小，满足新材料试验置信度ｒ＝９５％和相对误差　６＝５％的精度要求。每个应力水平下试验子样分布　

（寿命分布）符合对数正态分布并呈现较高线性关系　

（ｒ＞ｒ　ｉ　）。当Ｒ＝０．９９时，齿轮接触疲劳强度的极　

限值为　＝１　２４０　ＭＰａ；当Ｒ＝０．９９９　９时，齿轮接　

触疲劳强度的极限值为　ｉ　＝１　１９０　ＭＰａ。试验数　据表明，１７ＣｒＮｉＭｏ６齿轮材料钢的冶炼、锻造及热处　

理和加工工艺都比较成熟。　

Ⅳ　Ｒ—Ｓ—Ｎ曲线　

一Ｓ—Ｎ　ｃｕｒｖｅ　

１）通过对１７ＣｒＮｉＭｏ６渗碳淬火硬齿面齿轮的接　

触疲劳强度的试验研究，得到１７ＣｒＮｉＭｏ６的可靠性试　

验数据，并拟合出相应的Ｒ一．ｓ一Ⅳ接触疲劳曲线，为该　

材料齿轮的接触疲劳可靠性设计提供了真实可靠且