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GB/T 14229-2021 英文版
齿轮接触疲劳强度试验方法
Test method of surface contact strength for gear load capacity
齿轮接触疲劳强度试验方法
1范围
本文件规定了关于渐开线圆柱齿轮接触疲劳强度试验的原理、目的、方法、装备、失效判据、程序、数 据处理以及试验报告。
本文件适用于测定钢或铸铁材料渐开线圆柱齿轮齿面接触疲劳承载能力设计所需的基础数据，并 适用于对比分析不同材料、不同工艺、不同修形方式等条件下齿轮的接触疲劳性能。其他材料齿轮或非 渐开线齿轮的同类试验可参照使用。
2规范性引用文件
下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文 件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于 本文件。
GB/T 1356通用机械和重型机械用圆柱齿轮标准基本齿条齿廓
GB/T 3358.1统计学词汇及符号 第1部分:一般统计术语与用于概率的术语
GB/T 3480.1直齿轮和斜齿轮承载能力计算 第1部分:基本原理、概述及通用影响系数
GB/T 3480.2直齿轮和斜齿轮承载能力计算 第2部分:齿面接触强度（点蚀）计算
GB/T 10095（所有部分）圆柱齿轮精度制
JB/T 8831工业闭式齿轮的润滑油选用方法
3术语和定义、代号
GB/T 3358.1,GB/T 3480.1和GB/T 3480.2界定的术语和定义以及表1中的代号适用于本文件。
表1代号、含义及单位
4试验原理
4.1通过使试验齿轮副在受控载荷下进行啮合运转，测定齿面发生接触疲劳失效（或超过齿面应力循 环基数N。后失效）时的循环次数，或测定给定循环次数（例如N。）下齿面发生接触疲劳失效时的应力（载荷）水平，经过对试验数据的统计处理,用以获取反映试验齿轮接触承载能力的“应力-循环次数”曲 线或“载荷-寿命”曲线"，或用以对不同材料、不同工艺、不同修形方式等条件下齿轮的接触疲劳性能进 行对比。
试验原理示例见图
标引序号说明：
1——驱动装置；
2 试验齿轮箱1;
3——可控加载装置；
4——转矩转速传感器、计数器等；
5 试验齿轮箱2。
图1试验原理示例
4.2由于疲劳试验数据的离散性不可避免，只有得到足够多的试验数据，其分布才具有一定的统计学 意义。因此，在实际应用中若只能以有限的试验数据点进行分析或对比，应严格控制试验过程，并注意 结论的局限性。
5试验目的
5.1基础数据测定
当采用特定材料、按照特定工艺加工试验齿轮时，通过对试验数据的处理，可以获得该类齿轮的接 触疲劳极限应力或S-N曲线，以此作为该材料和工艺的强度设计基础值。具体要求如下：
a） 对于高周疲劳寿命设计，应测定耐久性疲劳极限应力；
b） 对于有限寿命设计，应测定对应寿命区间的S-N曲线；
c） 当a）和b）同时要求或没有明确要求时，应测定完整的S-N曲线。试验方法见第6章。
5.2性能对比
5.2.1当采用不同材料或不同工艺加工的试验齿轮时，通过对试验数据的处理，可以评定不同因素对 齿轮接触疲劳性能的影响。这些因素包括但不限于：
——齿轮材料；
——齿轮热处理；
机加工工艺（磨、剃等）；
1） “应力-循环次数”曲线或“载荷-寿命”曲线即S-N曲线。
——表面处理（如镀层、喷丸、超精加工等）；
加工流程；
齿轮几何参数；
—齿面修形；
润滑油；
——工作温度；
——节圆线速度。
5.2.2依据5.2.1的对比，可以优化齿轮的材料、工艺、润滑条件等。为提高效率，经充分评估后，宜在 有限寿命应力级下进行试验。试验点数应根据试验结果的离散性确定。每种用于对比的试验点数不宜 少于5个。
5.2.3如需要对比耐久性疲劳极限应力，应按照6.4或6.5要求进行试验。
5.3其他
除5.1和5.2以外，其他试验目的可由研究人员自行设定。例如探讨齿轮接触疲劳的失效机理，制 定齿面损伤的抑制方法等。
6试验方法
6.1 总述
6.1.1当齿面出现接触疲劳失效，或应力循环次数达到循环基数N。而齿面未失效（称为“越出点”）时， 试验终止并获得当前试验应力值下的一个寿命值，形成一个数据组（称为“试验点”）。当试验过程无异 常时，将该试验点称为“有效试验点”，否则称为“异常试验点”。
6.1.2齿轮接触疲劳试验有多种数据组合方法，如常规成组法、少点组合法、升降变载法、阶梯增载法 等。在试验方案制定阶段，应根据试验目的和试验周期，进行合理选择。
6.1.3试验齿轮的齿面接触应力应根据GB/T 3480.1和GB/T 3480.2按公式（1）计算（其中：" + ”号用 于外啮合，“一”号用于内啮合）：
式中：
Zh 节点区域系数；
Ze —弹性系数；
——接触强度计算的重合度系数；
Zp ——接触强度计算的螺旋角系数；
Zv 速度系数；
Zl —润滑剂系数；
Zr——接触强度计算的粗糙度系数；
Zw ——齿面工作硬化系数；
Zx——接触强度计算的尺寸系数；
Ft——分度圆上端面切向载荷，单位为牛顿（N）；
Ka —使用系数；
Ky——均载系数，本文件中K7=l；
K v 动载系数；
KHa—接触强度计算时的齿间载荷分配系数；
Khp——接触强度计算时的螺旋线载荷分布系数；
——试验齿轮小轮分度圆直径，单位为毫米（mm）；
b 工作齿宽，单位为毫米（mm）；
U 齿数比,Z2 /zi o
6.2 常规成组法
6.2.1该法是在多个应力级下成组进行疲劳寿命试验，并通过统计处理得到不同可靠度下疲劳曲线的 一种试验方法。该法可用于比较准确地测定试验齿轮有限寿命区间内“可靠度-应力-循环次数”曲线 （“R-S-N”曲线），也可用于预估齿面接触疲劳极限应力知临O
6.2.2试验时，通常取4个或5个应力级，每个应力级下应有不少于5个试验点。最高应力级与次高应 力级的应力间隔以总试验应力范围的40%50%为宜，随着应力的降低，应力级间隔应逐渐减小。见 图2。最高应力级试验点的循环次数应不少于1X10。，最低应力级应有越出点。
6.2.3当以不同材料、不同工艺、不同修形的齿轮进行对比试验时，可按该法得到不同的R-S-N曲线。 为合理地缩短试验周期，也可取2个或3个应力级进行成组对比。
标引序号说明：
X 失效点；
o——越出点（括号中的数字代表越出点个数）。
图2 常规成组法示意
6.3 少点组合法
6.3.1该法是在多个应力级下进行较少数量点的疲劳寿命试验，通过数据拟合得到S-N曲线。该法可 用于测定试验齿轮有限寿命区间内50%可靠度下的S-N曲线，也可用于预估齿面接触疲劳极限应力 bHhm,或可用于不同材料、不同工艺、不同修形条件下试验齿轮接触疲劳性能的对比测试。
6.3.2试验时，通常取4个10个应力级，每个应力级下应取1个4个试验点（不包括越出点），总的 试验点数不宜少于7个。所设置的应力级应在有限寿命区间内合理分布，见图3,原则是：
在咼应力级区，应力级间隔可适当加大；
图3少点组合法示意
6.4升降变载法
6.4.1该法是给定循环次数后，在预估疲劳极限应力/临附近设置多个应力级，依据试验点失效或越出 的升降分布统计得出疲劳极限应力。该法可用于比较准确地测定齿面接触疲劳极限应力bH阮。
6.4.2试验中，当前试件加载的应力级应由前一试件的试验结果决定。当前一试件为“失效”时，该试 件加载的应力级应降低一级；“越出”时，则增高一级。“失效”和“越出”应配对出现。通常取4个6个 应力级，相邻应力级的差值宜取△b=(0.040.06)/临，考虑试验周期，所需试验点总数不宜少于16个。 最后的有效试验点后的预测点应与第一个有效点同级。见图4。
6.5阶梯增载法
6.5.1该法是基于Palmgren-Miner法则，只用1个失效试验点,通过阶梯增量加载的方式快速获取疲 劳极限应力。该法特别适用于不同材料、不同工艺、不同修形条件下，试验齿轮接触疲劳性能的快速对 比试验。当已有试验数据较多时，该法也可用于齿面接触疲劳极限应力叫临的大致测定。
6.5.2试验时，首先预估疲劳极限应力儿宀以初始应力级门"邸为起点以阶梯增载的方式进行疲劳 试验，每一应力级s加载〃次循环后观察损伤情况，如未到达设定的失效判据，则进入下一应力级
= %+△继续试验，直至失效。见图5。应注意，在最后的应力级下，试验齿轮不应出现除接触疲劳外 其他形式的损伤。
6.6其他方法
本文件不排斥其他的试验方法，但该方法应符合抽样和数理统计的要求，并与试验委托方或数据使 用方达成一致。例如釆用正交法进行对比试验时，每个对比因素至少应有3个试验点。
6.7试验方法的比较
对6.2-6.5不同的试验方法所需要的试验点数、所得的处理结果、占用的试验周期进行比较，见 表2。
7试验装备
7.1试验机
7.1.1 要求
7.1.1.1宜采用功率流封闭传动形式（如图1所示），并具备双向运转和加载能力。中心距范围宜选为 80 mm160 mm,加载方式可采用可控液压加载，试验齿轮线速度宜选为8 m/s30 m/s（不宜大于 40 m/s）,并应具有以下基本功能：
a） 保证试验齿轮接触斑点在不同载荷级下均能满足试验要求；
b） 有足够能力补偿齿轮、轴承、密封件等处的功率损失；
c） 试验过程中发生异常或齿轮断齿时可自动停机；
d） 转矩加载稳定，连续可调；
e） 在10%100%的加载范围内，转矩测量误差不大于被测转矩值的士 1%;
f） 保证试验齿轮具有良好润滑条件，润滑油温度控制误差不大于士 5 °C;
g） 有循环次数记录装置，试验过程中工作应连续、可靠，最大记录误差不大于士0.1%。
7.1.1.2试验中所需润滑油应按JB/T 8831进行选择和更换。一般情况下，试验机每连续运转三个月， 应进行润滑油的取样检査、清洁或更换。
7.1.2校核
应定期按照试验机的技术指标进行校验，做到：
a）试验齿轮的使用系数Ka的计算见公式（2）,计算值不大于1.05。
Tlmax——加载转矩最大值，单位为牛顿米（N m）；
Ti ——加载转矩平均值，单位为牛顿米（N - m）0
b）加载系统、温度控制系统、转矩测量仪、计数器等运行精度满足设备要求。
7.2试验齿轮
7.2.1主要参数
7.2.1.1用于齿轮（或齿轮材料）的基础数据试验时，宜选用圆柱齿轮，模数mn = 3 mm~8 mm,精度应 满足GB/T 10095（所有部分）规定的4级6级，基本齿廓应符合GB/T 1356的要求。可优先选择表3 的参数范围，参数搭配应避免在试验中岀现疲劳断齿或胶合现象。
7.2.1.2在条件允许的情况下，试验齿轮也可按产品齿轮参数和实际运行条件进行相似设计，而在制造 过程中，同一种试验齿轮的制造工艺应相同，保证试验齿轮性能的一致性。
表3基础数据测定推荐的试验齿轮参数
7.2.2技术要求
为保证试验的规范化和问题的可追溯，试验齿轮的设计和制造应形成正式技术文件，包括几何设 计、强度分析、材料控制、毛坯成形、热处理、机加工、表面强化等7项主要内容（如有必要，可另行增加）。 应根据试验目的就试验齿轮的制造过程控制进行必要的检测并记录，试验齿轮的搬运和存储也应合理 规范，详见表4。
表4关于试验齿轮的技术要求
8失效判据
8.1判别方法
以试验齿轮齿面点蚀损伤程度作为齿面接触疲劳失效的判据。判别方法有以下两种
a） 单齿点蚀面积率的计算见公式（3）。
Rs 单齿点蚀面积率，％；
As —试验齿轮单个齿面点蚀面积之和，单位为平方毫米（mn?）；
Asw——试验齿轮单个齿面工作表面积，单位为平方毫米（mri?）。
b） 齿轮副点蚀面积率的计算见公式（4）。
——齿轮副点蚀面积率，％；
A1T 试验齿轮主动轮全部齿点蚀面积之和，单位为平方量米（mm2）；
A2T —试验齿轮被动轮全部齿点蚀面积之和，单位为平方毫米（mm2）；
A1TW—试验齿轮主动轮全部齿工作表面积之和，单位为平方毫米（mm2）；
A2TW—试验齿轮被动轮全部齿工作表面积之和，单位为平方毫米（mn?）。
8.2判别准则
8.2.1对于非表面硬化齿轮，点蚀一般会在所有齿面上出现。当试验齿轮副的硬度相等或相近时，设
当达到公式（5）的值时，应判定该齿轮副失效。
11 8.2.2对于表面硬化齿轮（包括渗碳、渗氮、碳氮共渗、火焰或感应淬火齿轮），点蚀一般首先在少数齿 面上出现。设定的点蚀损伤极限值见公式（6）、公式（7）：
当达到公式（6）的值时，应判定对应的齿轮失效；当达到公式（7）的值时，应判定该齿轮副失效。
8.2.3齿面应力循环基数N。一般设为5X10，。当试验应力循环次数达到N。而齿面点蚀未达到损伤 极限时，试验可停止并判定该试验点越出。
9试验程序
9.1 准备
9.1.1确定试验目的，根据试验齿轮制造与检验技术文件制定试验方案，选取试验类型和确定试验 方法。
9.1.2清洗试验齿轮后目测检査，齿面不得有腐蚀、锈蚀或其他形式的损伤，然后应对试验齿轮、轮齿 及齿面进行编号。
9.1.3对试验机进行校核。
9.1.4按试验机要求安装试验齿轮。
9.2预备试验
9.2.1检査试验齿轮齿面接触情况。加载至试验载荷后，齿面接触斑点沿工作齿宽方向应不小于 90% ,沿齿高方向应不小于80% 0
9.2.2以低于预估接触疲劳极限应力50%对应的载荷值进行一定时长（不宜少于2 h）的跑合试验，观 察运行情况。
9.2.3根据第6章要求，划分试验应力级，必要时应对每个应力级先期进行1个或2个试验点试验，以 判定应力级设置的合理性。
9.3 正式试验
9.3.1应按预备试验确定的应力级开始正式试验。
9.3.2试验中应关注试验机的运转情况，并对润滑油的质量、流量、油温进行监测。对于试验中无法变 载的试验机，应监控载荷变化，依据掉载程度随时停机，调整和恢复载荷，做好详细记录。
9.3.3试验中应根据应力级的大小确定齿面检査时间间隔。试验初期可用10倍放大镜观察齿面，并 应按照如下方法处理：
a） 如果发现点蚀损伤但尚未达到损伤极限，继续试验并根据损伤形貌及扩展趋势缩短以后检査 的时间间隔；
b） 如果点蚀面积率超过损伤极限，取本次检查时间间隔的中间点作为齿面失效的时间终点；
c） 如果试验过程中先期出现了其他损伤，如非正常磨损、轻微胶合等，详细记录损伤变化情况，改 善润滑条件和运转参数；
d） 如果出现中等及以上的磨损、胶合或发生轮齿断裂，判齿轮非接触疲劳失效，该组数据不能作 为试验点。
9.3.4应对点蚀损伤的形貌、位置、齿面序号及应力循环次数进行跟踪检査，并做好记录（例如覆膜或 拍照）。
9.4试验点的补充与剔除
9.4.1 补充
9.4.1.1使用常规成组法时，同一应力级的试验点做完后应进行分布检验。如果分布函数的线性相关 系数不能满足最小值要求（见10.1.3）,应补充试验点。对于正态分布，可采用t分布理论确定最少有效 试验点数。
9.4.1.2使用升降变载法时，应针对试验点数及时进行数据稳定性检验。最后连续4个试验点的稳定 误差宜小于0.5%。若稳定误差不能满足要求，应补充试验点。
9.4.1.3使用其他试验方法，应结合试验点的统计学分析，判断试验结果是否具有足够的数据支撑。
9.4.2剔除
9.4.2.1当某一试验点的循环次数可疑时，可采用统计学中对可疑数据的处理方法来决定取舍。对于 正态分布，宜采用肖维涅准则、格拉布斯法等。
9.4.2.2当某一试验点的循环次数按照9.4.2.1选定方法被判定为过大数据时，应进一步分析该试验点 的加载是否有误。如果是，应剔除该试验点。
9.4.2.3当某一试验点的循环次数按照9.4.2.1选定方法被判定为过小数据时，应检查试验齿轮是否由 于制造缺陷导致失效（例如磨齿后产生了表面微裂纹），并检查试验机载荷、振动是否超限。如果有一点 是，应剔除该试验点。
9.5失效分析
试验目的有要求时应进行失效分析。
应结合齿面点蚀形貌，借助光谱仪、光学/金相显微镜、扫描/透射电镜等检测设备，推断齿轮试件失 效的原因。
10试验数据的统计处理
10.1常规成组法和少点组合法
10.1.1给定应力级下寿命的概率分布
10.1.1.1在某一给定应力级下做〃个试验点，得到的寿命值（循环次数）Nl按递增顺序排列见公式（8）或 公式⑼:
10.1.2寿命分布函数假设
一般采用正态分布、对数正态分布或三参数威布尔分布进行分布检验，确定分布函数。三种分布函 数的表达分别见公式（12）公式（14）:
10.1.3寿命分布函数拟合与优度检验
10.1.3.1宜采用最小二乘法进行寿命分布的拟合与优度检验，具体步骤为：
a） 釆用公式（10）或公式（11）计算F（NG;
b） 当按照正态分布拟合时，应按照公式（15）计算：
10.1.3.2分布函数的线性相关系数应满足线性相关系数临界值的要求。当线性相关系数最小值同时 满足两种以上分布时，应优先选用线性相关系数绝对值较大的分布。
10.1.3.3不同可靠度下R-S-N曲线的各应力级应选取同一类型的分布。
10.1.4 R-S-N曲线参数的确定
方法如下：
a）按确定的寿命分布函数计算不同可靠度R下的可靠寿命Nl.r：当要求建立C-R-S-N曲线时，方法见附录A。
10.1.6 S-N曲线斜率的修正
10.1.6.1当按公式（1）计算。H时,若Zr值不等于1.0,则应修正S-N曲线的斜率。 10.1.6.2 修正后的S-N曲线方程参数的计算见公式（22）公式（25）：
10.1.7算例
见附录B。
10.2升降变载法 10.2.1根据6.4得到不同应力级下“越出”和“失效”试验点分布后，以总点数较少原则选择“越出”或 “失效”作为“分析事件”进行统计分析。
10.2.2将应力级按升序排序，见公式（26）
f,——各应力级在分析事件中出现的次数。
10.2.4可靠度为R下的疲劳极限应力亦的计算见公式（33）：
10.2.5考虑置信度的疲劳极限应力幻件的计算见A.2。
10.2.6完整算例见附录C。
10.3阶梯增载法
该法适用于疲劳极限应力的快速测定（算例见附录D）。过程如下：
a） 记录试验中的应力级b,和对应的循环次数泠；
b） 选取［条（J^3）可参考的S-N曲线方程见公式（34）：
一条参考的S-N曲线应选取与试验齿轮材料、工艺相同或相近的曲线，其余参考的S-N 曲线可由该曲线平移变换得到；
c） 将应力级巳分别代入J条参考S-N曲线方程中，求解对应的寿命N,；
d） 根据循环次数"，求出对应应力级s的",/N"值及参考宇N曲线的S ）值；
e） 拟合N3/N）—Sm曲线方程，求解S（n/N）= 1时的幻值。该值即为疲劳极限应力。
11试验报告
应包括以下内容：
a） 试验目的及要求；
b） 试验方法；
c） 试验条件及试验齿轮；
d） 试验数据及处理结果；
e） 损伤分析；
f） 试验单位、报告人、审核人、日期。
A.1.3.2以各应力级相同可靠度和置信度的“应力-循环次数”作为子样，采用最小二乘法拟合，得到一 系列不同置信度和可靠度的C-R-S-N曲线。
A.2采用升降变载法确定疲劳极限应力
置信度为C、可靠度为R下的疲劳极限应力置信下限的计算见公式(A.5)：
附录B
（资料性）
常规成组法数据处理的算例
B.1试验数据预处理
B.1.1按照应力级递增把试验获得寿命数据排列，见表B.1。
表B.1齿轮接触疲劳试验数据
B.2.3从表B.4可知，正态分布、对数正态分布和三参数威布尔分布的线性相关系数均满足置信度为 95%时的相关系数临界值，且三参数威布尔分布的相关系数绝对值均大于其他两种分布相关系数绝对 值，因此三参数威布尔分布函数是本组试验数据的最优寿命分布函数，故应采用三参数威布尔分布函数 确定C-R-S-N曲线。
B.2.4根据表B.4中三参数威布尔分布的线性模型参数A和B值进行形状参数和尺度参数的计算，结 果见表B.5 o
B.3不同置信度、不同可靠度下的寿命计算
B.3.1按公式（20）计算三参数威布尔分布的可靠寿命，见表B.6。
表B.6三参数威布尔分布不同可靠度下的定应力寿命
B.3.2分别考虑90%和95%置信度，按公式（A.3）计算失效概率的单侧置信下限，重复B.2步骤，再计 算此时的可靠寿命，见表B.7。
表B.7 90%和95%置信度下三参数威布尔分布不同可靠度下的定应力寿
B.4.1将公式（A.4）两边取对数，可以写为公式（B.1）：
令Y=logbH，X = logNL,R,c，B = —l/m,A = logC/m,则公式（B.l）在双对数坐标系下视为线性模 型Y=A+BXO采用最小二乘法将置信度和可靠度相同的各应力级上的点进行直线拟合,可得到C-R-S- N方程，并验证相关系数广。
B.4.2表B.8列出了 90%和95%置信度下三参数威布尔分布C-R-S-N方程参数拟合结果。
表B.8 90%和95%置信度下三参数威布尔分布C-R-S-N方程参数拟合结果
附录C
（资料性）
升降变载法数据处理的算例
C.1试验数据统计
C.1.1本试验针对某种汽车用渗碳淬火齿轮。
C.1.2选取4个应力级进行升降法试验，应力增量曲25%皿临270 N/mm2 ,经过升降法试验获得的 数据见表C.1。
表C.1升降法试验数据
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