在單齒加載彎曲疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)中，加載載荷能否沿齒寬均勻分布是試驗(yàn)結(jié)果是否可用的關(guān)鍵。根據(jù) GB/T 14230 中對(duì)試驗(yàn)夾具的設(shè)計(jì)要求，通過 ANSYS 有限元軟件對(duì)傳統(tǒng)單齒加載試驗(yàn)夾具進(jìn)行應(yīng)力分析得到的結(jié)果證明傳統(tǒng)試驗(yàn)夾具不能有效地彌補(bǔ)夾具、齒輪等加工誤差，確保加載載荷沿齒向均勻分布， 因此利用傳統(tǒng)試驗(yàn)夾具進(jìn)行試驗(yàn)得到的試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性無法保證。本文根據(jù)試驗(yàn)需要設(shè)計(jì)了新型單齒加載彎曲疲勞試驗(yàn)夾具， 通過 ANSYS 有限元軟件對(duì)新型夾具進(jìn)行應(yīng)力分析，在存在加工誤差的情況下，載荷沿齒向分布均勻，證明了新型試驗(yàn)夾具的明顯優(yōu)勢(shì)。

　　引言

　　齒輪傳動(dòng)具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)， 廣泛應(yīng)用于機(jī)械傳動(dòng)領(lǐng)域。齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度是指齒輪 輪齒在反復(fù)承受交變載荷條件下的疲勞強(qiáng)度。 在單齒加 載彎曲疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)中， 加載載荷能否沿齒寬均勻分布 是試驗(yàn)結(jié)果是否可用的關(guān)鍵。 目前國內(nèi)外對(duì)齒輪彎曲疲 勞強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方面的論述較多，國內(nèi)對(duì)于齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)中用到的試驗(yàn)夾具依然是按照 GB/T 14230《齒輪彎曲疲勞輕度試驗(yàn)方法》中的方法設(shè)計(jì)夾具，然而標(biāo)準(zhǔn)中的設(shè)計(jì)夾具存在不足， 因此會(huì)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性造成極大影響。本文提出了新型試驗(yàn)夾具的設(shè)計(jì)方案，并利用 ANSYS 有限元軟件對(duì)傳統(tǒng)夾具與新型夾具進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度分析。

　　1 齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)方法

　　1.1 試驗(yàn)齒輪

　　本文中設(shè)計(jì)的齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)夾具適用于不同材料、不同熱處理工藝、不同表面處理工藝的齒輪，試驗(yàn)齒輪參數(shù)如表 1 所示。

表 1 試驗(yàn)齒輪參數(shù)

　　1.2 試驗(yàn)方法

　　GB/T14230-1993 《齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)方法》中規(guī)定了兩種方法：

(1)“A 試驗(yàn)法”—齒輪臺(tái)架運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，將試驗(yàn)齒輪副安裝在齒輪試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn);

(2)“B 試驗(yàn)法”—齒輪單齒脈動(dòng)加載試驗(yàn)，在脈動(dòng)疲勞試 驗(yàn)機(jī)上利用專門的夾具， 對(duì)試驗(yàn)齒輪的輪齒進(jìn)行脈動(dòng)加 載，直至輪齒出現(xiàn)彎曲疲勞失效或越出。 “A 試驗(yàn)法”的優(yōu) 點(diǎn)是能模擬實(shí)際工況，而最大缺點(diǎn)是試驗(yàn)周期太長(zhǎng)，成本太高，很少采用。 “B 試驗(yàn)法”雖然不能反映出齒輪嚙合過程中的某些動(dòng)態(tài)特性，與齒輪實(shí)際工況有一定的誤差，卻具有試驗(yàn)速度快效率高、所需試驗(yàn)齒輪少、成本低、試驗(yàn)操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)， 因此通常采用單齒脈動(dòng)加載方式進(jìn)行試驗(yàn)。

　　2 傳統(tǒng)彎曲疲勞夾具分析

　　GB/T 14230 中規(guī)定了兩種齒輪彎曲疲勞的試驗(yàn)方法：?jiǎn)锡X加載和雙齒加載，國內(nèi)許多科研單位較多的采用這兩種形式，見圖 1 和圖 2。

　　GB14230 中規(guī)定的兩種試驗(yàn)夾具存在以下缺點(diǎn)：加載壓頭一般采用厚實(shí)的鋼塊，保證硬度，這樣可以確保斷 齒而不至于使壓頭壓潰，但是齒輪和壓頭必然存在加工 和安裝誤差，這樣由于壓頭本身不存在變形，導(dǎo)致輪齒局部受載，從而造成輪齒漸開線折斷或者斷面出現(xiàn)較大傾斜，試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性很大，這種離散不是由于材料本身缺陷或熱處理不當(dāng)造成，而是由于夾具加載不均造成的。

　　為驗(yàn)證傳統(tǒng)夾具會(huì)導(dǎo)致輪齒局部受載，通過 ANSYS 有限元軟件，對(duì)傳統(tǒng)夾具進(jìn)行分析，施加的載荷大小為 40kN， 方向豎直向下。 為方便仿真模擬快速分析，先在 SolidWorks 軟件中建立模型，將加載錘頭按照試驗(yàn)加載位置與試驗(yàn)輪齒進(jìn)行裝配， 建模過程中將試驗(yàn)夾具其余零部件省略，再將建立好的三維模型導(dǎo)入 ANSYS 軟件中， 進(jìn)行網(wǎng)格劃分、添加約束、施加載荷、運(yùn)行計(jì)算。 圖 3 為傳統(tǒng)彎曲疲勞夾具網(wǎng)格劃分示意圖。

　　由于在齒輪、夾具加工過程中的誤差不可避免，為保證傳統(tǒng)夾具與新型夾具的仿真結(jié)果的可比性， 統(tǒng)一假設(shè)加載錘頭在與輪齒接觸的加載面上有 0.1mm 傾斜誤差。

　　圖4 為使用傳統(tǒng)夾具，齒輪齒根產(chǎn)生的應(yīng)力分布圖， 由應(yīng)力圖可得由于傾斜誤差的存在， 齒輪齒根上的應(yīng)力 并不是均勻分布， 圖 5 為使用傳統(tǒng)錘頭加載時(shí)齒輪齒根 處沿齒向應(yīng)力分布趨勢(shì)圖，分別讀取了齒輪齒根上兩個(gè) 位置處的應(yīng)力值。通過齒根處應(yīng)力趨勢(shì)圖可以說明由于 傾斜誤差的存在， 使用傳統(tǒng)壓頭導(dǎo)致了加載載荷沿齒向 分布不均，載荷沿齒向逐漸減小，沿齒向上齒根應(yīng)力與平 均齒根應(yīng)力的差值百分比在-22.59%～10.28%之間， 且有 三分之一的齒根應(yīng)力與平均齒根應(yīng)力的差值百分比絕對(duì)值超過 10%。 因此使用傳統(tǒng)夾具進(jìn)行齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度 試驗(yàn)得出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)不夠可靠，得到的結(jié)論也不夠準(zhǔn)確。

　　3 新型彎曲疲勞夾具的設(shè)計(jì)

　　通過對(duì)傳統(tǒng)夾具的仿真模擬分析可得，在不可避免的加工誤差情況下，使用傳統(tǒng)夾具進(jìn)行試驗(yàn)并不能保證載荷沿齒向是均勻分布的，試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性無法得到保障，因此設(shè)計(jì)新型彎曲疲勞夾具是有必要的。

　　對(duì)于試驗(yàn)夾具的設(shè)計(jì)，主要滿足以下幾點(diǎn)：①具有足夠的剛度，能可靠地支承試驗(yàn)齒輪;②保證載荷作用在輪 齒接近齒頂?shù)凝X面上，并能確定作用點(diǎn)的準(zhǔn)確位置;③保證施加在輪齒上的載荷作用線與試驗(yàn)齒輪的基圓相切; ④保證載荷沿齒向均勻分布。

　　為保證載荷沿齒輪均勻分布，將加載錘頭的形狀設(shè) 計(jì)成兩個(gè)凹面形狀(如圖 6)，這樣在加載時(shí)，一旦出現(xiàn)沿齒寬分布不均的情況，錘頭凹面能夠通過自身變形來調(diào) 整載荷在齒輪齒寬上的分布。

　　為驗(yàn)證新型加載錘頭滿足設(shè)計(jì)要求并與傳統(tǒng)加載錘頭進(jìn)行比較，通過 ANSYS 有限元軟件，對(duì)新型夾具進(jìn)行應(yīng)力分析，施加的載荷大小為40kN，方向豎直向下。建模過程中，新型加載錘頭與齒輪接觸的加載面上同樣有 0.1mm 的傾斜誤差，圖 7 為新型彎曲疲勞夾具網(wǎng)格劃分 示意圖。 圖 8 為使用新型夾具，齒輪齒根產(chǎn)生的應(yīng)力分布 圖，由應(yīng)力圖可得盡管有傾斜誤差的存在，齒輪齒根上的 應(yīng)力基本均勻分布。 圖 9 為使用新型錘頭加載時(shí)齒輪齒根處沿齒向應(yīng)力分布趨勢(shì)圖，分別讀取了齒輪齒根上兩 個(gè)位置處的應(yīng)力值。 沿齒向上齒根應(yīng)力與平均齒根應(yīng)力 的差值百分比在-15.71%～4.08%之間，且大部分齒根應(yīng)力 與平均齒根應(yīng)力的差值百分比絕對(duì)值保持在 4%以內(nèi)。 在 沿齒向上的載荷基本分布均勻， 相比傳統(tǒng)夾具導(dǎo)致的偏差，得到明顯改善。

　　圖 10 為傳統(tǒng)夾具和新型夾具齒輪齒根沿齒向應(yīng)力 分布趨勢(shì)對(duì)比圖，由對(duì)比圖充分說明，新型試驗(yàn)夾具比傳 統(tǒng)試驗(yàn)夾具更能夠保證載荷沿齒向均勻分布。 即使加載 錘頭存在加工誤差， 錘頭通過自身變形來調(diào)節(jié)齒輪上的 載荷，使輪齒加載載荷沿齒向保持均勻分布。

　　4 結(jié)論

　　根據(jù) GB14230 中對(duì)齒輪彎曲疲勞試驗(yàn)夾具的設(shè)計(jì)要 求設(shè)計(jì)了新型試驗(yàn)夾具，并利用 ANSYS 有限元軟件對(duì)傳 統(tǒng)試驗(yàn)夾具和新型試驗(yàn)夾具進(jìn)行仿真模擬， 通過仿真模 擬得到傳統(tǒng)夾具存在不足，驗(yàn)證了新型試驗(yàn)夾具的優(yōu)勢(shì)。