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汽车工业中的抛喷丸强化应用


第 7 卷- 2019 年 6 月刊
齿轮的两个主要问题:接触疲劳和弯曲疲劳



Mario Guagliano

我认为汽车齿轮的重要性是不言而喻的。齿轮是汽车动力传输的核心零部件,即使车辆将转向电力驱动,齿轮也仍然占据着重要地位。由于面临着汽车轻量化的持续挑战,变速箱的尺寸已不断减小。这一可能性的实现得益于目前可以利用现代软件进行数值模拟,从而能够完善系统的设计,减少传统的安全影响因素,但不会影响其可靠性和强度。但这也得益于不断研发能够使表面硬化的表面处理技术,从而减轻齿轮的典型损坏机制:齿面的接触疲劳和齿根的弯曲疲劳。这两种损坏,即使都是由负载的周期变化引起的,这其中也存在很大差别,因此必须分别进行考虑。
接触疲劳源自于互相接触的表面,接触疲劳是由于接触压力过大引起的,会导致裂纹萌生和扩展。事实上,接触疲劳引起了不同的损坏机制;最常见的叫做点蚀,这种损坏出现在表面,引起小面积的材料逐渐脱落并形成凹洞。这种现象十分复杂且受不同因素的影响:然而,同样是在此情况下,材料表层的残余压应力可以改善齿轮出现点蚀的情况。
弯曲疲劳发生的齿根,是由该部位发生严重的应力集中而引起的。在这种情况下,齿根出现裂缝,因为这里的弯曲力矩最大。很明显,同样是在此情况下,残余压应力有助于减轻齿轮的弯曲疲劳强度。
残余压应力的有益作用正是对高性能齿轮进行抛喷丸强化的主要原因,在此情况下,热处理和热化学处理产生的表面强化效果不足以保证产生足够的耐久性和/或强度。
但可以通过多种方法和使用不同的参数来进行抛喷丸强化。相关参数的各种组合产生了不同深度的残余应力分布,从而使处理本身产生不同的效果。换言之,必须根据要处理的材料、强化部分的几何形状以及疲劳应力的实体对抛喷丸强化进行精确地调整和优化:如果省略这一步骤,则可能出现提前失效以及意外故障等情况。
对于齿轮而言,抛喷丸强化参数的最终选择则更为复杂,因为此部位的关键区域不止一处,而且还需要顾及两种损坏机制。这意味着齿面部位的最佳抛喷丸强化方法不同于齿根部位的最佳处理方法。因此,应以不同的方式对这两个不同的区域进行抛喷丸强化。这就意味着处理成本的增加并且需要使用可以在无需中断流程的情况下执行另一种抛喷丸强化的设施。
事实上,我不知道这种方法在汽车行业中的使用情况如何,也不知道它是否可以进行大规模生产;但是,由于新技术的发展和信息工具与抛喷丸强化机器越来越强大的集成,不久后“双重”抛喷丸强化处理将更加普遍、更加便于使用。


汽车工业中的抛喷丸强化应用
作者:Mario Guagliano
MFN特约编辑
义大利米兰大学教授
邮编:20156 义大利米兰
邮箱:mario@mfn.li
 
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