Tandwieloverbrenging wordt veel toegepast in diverse mechanische apparatuur vanwege de voordelen van een nauwkeurige overbrengingsverhouding en een hoog rendement. China is nu een belangrijk tandwielproducerend land geworden - met een outputwaarde van de tandwielindustrie van meer dan 236 miljard yuan in 2017, waarmee het land de eerste plaats in de wereld inneemt, en er is een relatief compleet industrieel systeem gevormd. Als de kerncomponent voor krachtoverbrenging en energieafgifte beïnvloedt de prestatie van tandwielen direct de operationele efficiëntie en betrouwbaarheid van de apparatuur. Tijdens de overbrenging worden tandwielen blootgesteld aan extreem complexe belastingen, waardoor ze gevoelig zijn voor faalverschijnselen zoals putcorrosie, afschilfering, slijtage, schuren en buigvermoeiingsbreuk. In het verleden werd bij het ontwerp van de tandwielsterkte voornamelijk rekening gehouden met de contactsterkte van het tandoppervlak; echter, met de ontwikkeling van de engineeringtechnologie, neigen tandwieloverbrengingssystemen naar lichtgewicht, en de buigvermoeiingssterkte van de tandwortel is geleidelijk een belangrijke factor geworden.

 

 

 

Tijdens de tandwieloverbrenging werkt de maximale trekspanning op het tandwiel op de belaste zijde, terwijl de maximale drukspanning op de tegenoverliggende zijde werkt. Het nulpunt van de spanning bevindt zich onder de kruising van de wortelcirkel en de tandmiddellijn, wat resulteert in een ernstige spanningsconcentratie aan de tandwortel aan de belaste zijde. Met de continue werking van het tandwiel wordt het gevaarlijke gedeelte een gevoelig gebied voor het ontstaan van vermoeidheidsscheuren - de eerste fase van tandwielbreuk.

 

De geïnitieerde scheuren breiden zich verder uit in de richting van het nulpunt van de spanning, dat naar beneden beweegt langs de tandwortel naarmate de scheuren zich uitbreiden. Dit is de tweede fase - stabiele scheurvoortplanting (zie figuur 1). De stabiele voortplantingsfase kan over het algemeen worden onderverdeeld in twee subfasen: in fase I plant de scheur zich voort langs de richting van de 45° maximale afschuifspanning met een geringe diepte; in fase II, als gevolg van verschillende oriëntaties en korrelgrensbelemmering, wordt de voortplantingsrichting geleidelijk beïnvloed door de normaanspanning en verandert deze in een richting loodrecht op de normaanspanning.

 

Wanneer het resterende deel van de tandwortel de externe belasting niet langer kan dragen, treedt er een onmiddellijke breuk op - de derde fase: onstabiele scheurvoortplanting (breuk). Het overeenkomstige gebied op het vermoeidheidsbreukoppervlak is relatief ruw, vaak vergezeld van vouwen die worden gevormd door het scheuren van materiaal.

 

 

Algemeen wordt aangenomen dat het bestaan van trekrestspanning de gemiddelde spanningsniveau in de cyclische spanning verhoogt, waardoor de groeisnelheid van vermoeidheidsscheuren wordt versneld en de betrouwbaarheid van tandwielen wordt verminderd. In tegenstelling hiermee is drukrestspanning gunstig voor het verlengen van de vermoeidheidslevensduur van tandwielen. Tijdens de tandwielbewerking kan de amplitude van de restspanning die in tandwielen wordt gegenereerd duizenden megapascals bereiken, wat een aanzienlijke impact heeft op de vermoeiingsprestaties van tandwielen. Daarom is restspanning een onmisbare factor bij de anti-vermoeiingsproductie van tandwielen, en de nauwkeurige monitoring van de restspanningstoestand aan de tandwortel heeft een belangrijke technische betekenis.

 

Typische restspanningsverdelingscurven van het tandoppervlak na carboneren en afschrikken worden over het algemeen weergegeven in figuur 2. In de daadwerkelijke tandwielproductie vertoont de restspanning op het tandoppervlak niet altijd de ideale verdeling zoals weergegeven in figuur 2(a). In praktische werkomstandigheden veroorzaakt plastische vervorming van het oppervlak als gevolg van het koppelingseffect van thermische spanning en structurele spanning tijdens het afschrikken en afkoelen, waardoor de maximale drukrestrspanningslaag verschuift naar de ondergrond, wat mogelijk de verdelingseigenschap weergeeft die wordt getoond in figuur 2(b). Momenteel zijn decarburatie en interne oxidatie onvermijdelijk op het oppervlak van tandwielen na carboneren en afschrikken in de binnenlandse tandwielproductie. Vooral interne oxidatie vormt niet-martensitische structuren. Op dit moment wordt de typische restspanningsverdeling van de geharde laag weergegeven in figuur 2(c) - dat wil zeggen, trekrestspanning wordt gevormd op het buitenste oppervlak van het tandwiel, en vanwege geometrische structuurfactoren is deze trekspanning vaak ernstiger aan de tandwortel.

 

De verdelingseigenschappen van restspanning bepalen direct de vermoeiingsprestaties van tandwielen. Er moet echter met name worden opgemerkt dat het warmtebehandelingsproces van tandwielen een complex niet-lineair proces is waarbij de interactie van temperatuur, structurele transformatie en spanning betrokken is, vergezeld van plastische vervorming. Daarom is het bijna onmogelijk om restspanning te verkrijgen met behulp van analytische methoden. Daarom is het in de praktijk van de techniek van groot belang om restspanning te bepalen voor het evalueren van de levensduur en prestaties van tandwielen.

 

 

Momenteel zijn er veel methoden om restspanning te meten, maar de meest gebruikte en hoogprecisie methode in de techniek is röntgendiffractie (XRD)-technologie. XRD-technologie maakt niet-destructief testen mogelijk en draagbare apparatuur kan snel ter plaatse testen in de productie voltooien. Momenteel is deze technologie internationaal erkend, met binnenlandse en buitenlandse normen om de meetnauwkeurigheid te waarborgen, en de meetapparatuur en ondersteunende instrumenten zijn relatief geavanceerd. De apparatuur die in figuur 3 wordt getoond, is in binnen- en buitenland gebruikt in de tandwielindustrie om de restspanning aan de tandwortel te meten. Daarbij wordt het gevaarlijke gedeelte van de tandwortel over het algemeen gedefinieerd door de 30° raaklijn methode, en de restspanning op deze positie wordt geselecteerd om de wortelrestspanning weer te geven. Voor de specifieke methode voor het meten van restspanning door XRD, zie het vorige artikel "Hoe restspanning te bepalen met behulp van de röntgendiffractiemethode?"