起动机啮合齿轮接触疲劳强度试验研究

摘要：啮合齿轮接触疲劳强度关系到起动机的整体使用寿命，对其试验展开研究具有十分重要的意义。本文以“齿轮接触疲劳强度试验方法”为依据，进行了起动机啮合齿轮接触疲劳强度试验，对试验结果进行了分析，并提出了相关建议，如采用合金钢、合理的心部硬度、提高表面硬度、提高齿根圆R角、降低齿廓表面粗糙度等措施，以延长齿轮的使用寿命。

关键词：起动机；啮合齿轮；接触疲劳强度

1前言：

随着科学技术的快速发展以及机械行业的不断进步，汽车制造业得到了迅猛的发展，对相关配件的要求也越来越高。而起动机作为汽车的重要组成部分，关系到汽车的整体使用性能及安全。其中，啮合齿轮是起动机的关键配件，关系到起动机的使用寿命。基于此，笔者对起动机啮合齿轮接触疲劳强度试验进行了研究。

2 起动机驱动齿轮基本参数

为了满足发动机的起动力矩和起动转速，合理选择传动比是满足以上条件的基本要求之一。起动机驱动齿轮的齿数一般为9～14齿，但个别情况齿数有少于7齿的，甚至5齿，多的可达到19齿。文章以某汽车大功率起动机为例，起动机驱动齿轮应采用渐开线齿形，其齿轮参数如表1所示。在对损坏的起动机进行解剖分析后发现很多起动机是由于啮合齿轮损坏，而造成起动机不能正常工作。

2.1试验依据

该试验的依据是“齿轮接触疲劳强度试验方法”（GB/T14229-93），该标准规定了测定渐开线圆柱齿轮接触疲劳强度的试验方法，以确定齿轮接触承载能力所需的基础数据。该标准的适用范围包括了起动机啮合齿轮在内的钢铁、铸造钢等材料的渐开线圆柱齿轮由齿面点蚀损伤而失效的试验。

2.2试验方法

2.2.1多次试验并绘制R-S-N曲线

经过多次反复的试验，对起动机啮合齿轮的相关数据进行测试，并绘制出R-S-N曲线（可靠度-应力-寿命曲线），得出起动机啮合齿轮的接触疲劳极限应力。试验时取4～5个应力级，每个应力级别不少于3个试验点（不包括越出点）。最高应力有中的各试验点的齿面应力循环次数不少于10万次。最高应力级和第二高应力级的应力间隔为总试验应力范围的30%～50%，随着应力的降低，应力间隔逐渐减少。最低应力级至少有2个试验点标出。

2.2.2通过试验测定极限应力

通过组合试验测定S-N曲线或仅测定极限应力。试验时试验点总数一般为5～10个。测定S-N曲线时，应力级为3～5个，每个应力级取1～2个试验点。测定极限应力时可采用升降法。采用正交法进行对比试验时，每个对比因素至少有3个试验点。

2.3起动机啮合齿轮试验条件及试验齿轮

起动机啮合齿轮接触疲劳强度试验按以下规定的试验条件和试验齿轮进行，并由此可确定起动机啮合齿轮的接触疲劳极限应力σHlim。

①起动机啮合齿轮专用试验机。

起动机啮合齿轮试验采用“起动机疲劳试验专用试验机”，试验机由试验工作台、试验发动机和实验台控制装置等组成。试验机的精度应不低于起动机啮合齿轮所要求的精度，试验机应具有以下基本功能：1）齿轮断齿或起动机损坏时自动停机；2）有保证齿轮有效啮合的装置；3）有保证齿轮自动啮合和自动退出的装置；4）试验循环次数记录装置。

②实际的起动机啮合齿轮作为试验样本。

在本试验中，供作试验用的齿轮是起动机专用齿轮，且与起动机作为一个整体进行疲劳试验。与起动机啮合齿轮啮合的是试验用发动机的飞轮，设定发动机负荷为正常启动负荷的1.5-2倍。

2.4接触疲劳失效判据

2.4.1起动机啮合齿轮失效判别方法

起动机啮合齿轮接触疲劳强度试验是以齿面点蚀损伤程度作为接触疲劳失效的判据。判别方法有以下两种：

①单齿点蚀面积率RS=AS/ASW（1）

式中：RS———单齿点蚀面积率，%；

AS———起动机啮合齿轮单个齿面上点蚀面积之和，单位mm2；

ASW———起动机啮合齿轮单个齿面的工作表面积，单位mm2。

②齿轮副点蚀面积率RT=A1T/A1TW+A2T/A2TW（2）

式中：RT———齿轮副点蚀面积率，%；

A1T———起动机啮合齿轮副主动轮全部点蚀面积之和，单位mm2；

A2T———起动机啮合齿轮副被动轮全部点蚀面积之和，单位mm2；

A1TW———起动机啮合齿轮副主动轮各齿工作表面积之和，单位mm2；

A2TW———起动机啮合齿轮副被动轮各齿工作表面积之和，单位mm2。

2.4.2起动机啮合齿轮失效判别准则

起动机啮合齿轮是非表面硬化齿轮，点蚀一般总是在所有齿面上出现。当起动机啮合齿轮副的硬度相等或相近时，它们的点蚀损伤极限为：RT=2%（3）当起动机啮合齿轮齿轮副点蚀面积率达到式（3）的点蚀损伤极限时，即判定该齿面失效。

2.5起动机啮合齿轮疲劳试验

试验操作过程如下：①将试验用起动机安装在实验台上，发动机配置可调式负载箱。②启动起动机，起动机与飞轮啮合并启动发动机，可强制风冷起动机外部，以防起动机过热损坏。③发动机工作5s后起动机停止工作，关闭发动机，完成一次启动操作。④停止25s后，重新启动起动机，反复进行以上试验。

2.6起动机驱动

齿轮疲劳损坏的危险位置本试驗对起动机啮合齿轮在相应工作负荷条件下，发生在齿根处残余应力的变化情况进行了研究，弯曲疲劳试验在一定的循环次数时停止，测定残余应力，测定位置“ρ”在齿轮断面的危险截面和齿形曲线的交叉点上（如图1）。

3.试验结果分析

3.1疲劳试验结果

疲劳试验需要反复循环进行，并在完成一定次数试验后，停止循环，在危险断面和齿形曲线的交叉点附近测定齿跟圆柱切线方向的残余应力，同时观察齿跟处和端面组织变化的，结果显示在压缩侧分别出现晶格滑移带的出现期和裂纹产生期，一定循环次数后按照标准判断为失效。

如图2所示是负荷P=400kg时，残余应力与循环次数关系图。从图3中可以看出在几次循环之后产生残余应力，随后残余应力随着循环次数增加而增加，并逐渐趋于稳定，在6万次循环附近发生反转，随后残余应力在减少，因此可以看出此时齿面金属组织正在发生微观的变化。

3.2结论

通过大量试验结果分析和齿轮疲劳破坏机理的研究，可以得出以下几点结论。

①负荷大于疲劳极限时，起动机啮合齿轮压缩侧发生晶格滑移带和出现裂痕都比较早，疲劳破坏主要是表面裂痕破坏，而不是断裂破坏。发生起动机啮合齿轮破坏的重要原因是起动机过载，起动机经常过载会大大降低起動机的使用寿命。

②当齿轮出现交替载荷时，起动机啮合齿轮压缩侧发生晶格滑移带和出现裂痕都大大提前。出现交替载荷的原因是发动机驱动起动机旋转。造成这种情况的原因主要由两个方面，一是起动机单向离合器损坏，二是发动机启动后长时间不关闭启动开关（点火开关）。

③由于起动机工作的特点和载荷的不确定性，起动机啮合齿轮的实际寿命往往大大低于齿轮的疲劳试验寿命。本次试验对此进行了改进，但是准确地判断起动机啮合齿轮寿命仍有一定的难度。通过大量试验分析，建议齿轮寿命确定在残余应力发生拐点的次数，如图2所示的6万次左右。

④增加起动机啮合齿轮强度和表面硬度可以大大增加齿轮的使用寿命，建议起动机啮合齿轮采用合金钢，如20Cr2Ni4A、20CrMnTi、18CrNiMo，并进行更有效的热处理方式，保证齿轮心部硬度和表面硬度，以提高起动机啮合齿轮的寿命。

⑤根据实际啮合中心距等等的条件，适当增加起动机驱动齿轮的齿根圆R角，减少根切现象，这样可以延长齿轮的使用寿命。

⑥降低齿廓表面粗糙度，可以提高起动机啮合齿轮的寿命。

4.结语

综上所述，起动机啮合齿轮是汽车起动机的重要配件之一，其损坏会对起动机的使用寿命产生巨大的影响。因此，需要对起动机啮合齿轮进行接触疲劳强度试验，并结合试验结果，采取有效的措施降低起动机啮合齿轮的损坏，从而提高起动机的使用寿命。

参考文献：

[1]李添翼，武志斐，王铁，王道勇.18CrNiMo渗碳齿轮接触疲劳强度试验研究[J].科学技术与工程.2017（28）

[2]黄鹏飞，李骏，肖亚运.基于ADAMS的起动机啮合齿轮的动力学仿真分析[J].机电信息.2016（15）

作者简介：

谢德生，男，1967年生，广东梅州人，大学专科，工程师。研究领域：质量改进和质量管理。