【摘 要】
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课题来源于国家重点研发计划项目“高性能齿轮动态服役特性及基础试验”（项目号:2018YFB2001300）及重庆市技术创新与应用发展专项“高性能齿轮制造流程性能调控研发及应用”（项目号:cstc2019jscx-mbdx X0006）。齿轮是机械传动系统中应用最广泛的重要部件之一。随着航空附件机匣、风电齿轮箱、舰船、特种车辆、新能源汽车、工程机械等整机装备对传动系统功率密度、承载能力和可靠性的需求
【基金项目】
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国家重点研发计划项目“高性能齿轮动态服役特性及基础试验”（项目号:2018YFB2001300）； 重庆市技术创新与应用发展专项“高性能齿轮制造流程性能调控研发及应用”（项目号:cstc2019jscx-mbdx X0006）；
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课题来源于国家重点研发计划项目“高性能齿轮动态服役特性及基础试验”（项目号:2018YFB2001300）及重庆市技术创新与应用发展专项“高性能齿轮制造流程性能调控研发及应用”（项目号:cstc2019jscx-mbdx X0006）。齿轮是机械传动系统中应用最广泛的重要部件之一。随着航空附件机匣、风电齿轮箱、舰船、特种车辆、新能源汽车、工程机械等整机装备对传动系统功率密度、承载能力和可靠性的需求不断提高,齿轮的弯曲疲劳问题日益严重,成为制约高端装备服役性能与可靠性的重要瓶颈。大量试验和理论研究表明硬度和残余应力是决定齿轮弯曲疲劳性能的重要参量。开展高性能齿轮设计制造提升齿轮硬度和残余应力变得愈发关键,渗碳使齿轮表层具有高硬度和耐磨性,而芯部保持韧性和塑性,已经成为当今重载齿轮的工艺标配,同时喷丸处理能够为齿轮引入较高残余压应力,已经成为典型的表面强化工艺。目前渗碳、喷丸强化等工艺引入的硬度和残余应力与齿轮弯曲疲劳性能之间的关联规律不明确,导致齿轮加工工艺选择依赖经验,齿轮抗疲劳定量主动设计严重缺乏科学依据。因此本文开展考虑硬度与残余应力的齿轮弯曲疲劳试验与性能预测研究,探究硬度、残余应力等表面完整性参数与齿轮弯曲疲劳性能之间的关联规律,为齿轮抗疲劳定量主动设计提供理论和数据支撑,具有重要的科学价值和工程意义。本文制备不同工艺状态的18Cr Ni Mo7-6试验齿轮,开展齿根表面完整性参数表征测试,并以升降法和成组法相结合的方式获取不同表面完整性状态齿轮的弯曲疲劳极限和S-N曲线,建立考虑齿根表面硬度和表面残余应力的齿轮弯曲疲劳极限和S-N曲线预测公式,为齿轮抗疲劳定量主动设计提供技术支撑。论文主要研究内容如下:（1）制备不同工艺状态的18Cr Ni Mo7-6试验齿轮,构建齿轮表面完整性参数表征体系,制定齿轮弯曲疲劳试验方案,开展表面完整参数表征测试和齿轮弯曲疲劳试验。通过对18Cr Ni Mo7-6齿轮进行不同喷丸工艺处理,获取不同工艺状态下齿根表面完整性状态以及不同表面完整性状态下的齿轮弯曲疲劳极限与S-N曲线,为研究齿根硬度和残余应力与齿轮弯曲疲劳性能之间的关联规律提供基础数据;（2）研究加工工艺对齿根表面硬度和表面残余应力的影响。结果表明,喷丸强化能够显著提升渗碳硬化齿轮齿根表面硬度和表面残余应力,齿根表面硬度提升8.9%～22.7%,提升幅值为61～136 HV,齿根表面硬度值最大值达759 HV;齿根表面残余应力提升24.7%～29.9%,提升幅值为153～189 MPa,齿根残余压应力最大值达-914 MPa;（3）分析齿根表面硬度和表面残余应力对齿轮弯曲疲劳性能的影响。由于喷丸处理引起齿根表面硬度和表面残余应力状态的改善,18Cr Ni Mo7-6齿轮的弯曲疲劳极限提升6.3%～31.1%,提升幅值39～143 MPa,齿轮弯曲疲劳极限最大值达663MPa,相比ISO 6336-5标准中MQ级渗碳钢弯曲疲劳极限推荐值500 MPa提升32.6%,同时齿轮弯曲疲劳S-N曲线变平缓,齿轮抗疲劳性能得到提升;（4）探究齿根表面硬度和表面残余应力与齿轮弯曲疲劳性能之间的关联规律。建立考虑齿根表面硬度与表面残余应力的齿轮弯曲疲劳极限预测公式,绘制齿轮弯曲疲劳极限预测云图,预测结果与试验结果相比误差不超过7.53%;建立考虑齿根表面硬度与表面残余应力的齿轮弯曲疲劳S-N曲线预测公式,弯曲疲劳寿命预测结果与试验结果相比误差不超过3倍误差带。
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