粉末冶金齒輪齒根疲勞強度試驗與運轉測試驗證

Fatigue　Test　for　Tooth　Root　Bending　Strength　of　Powder　Metallurgy　Gears　and　Running　Verification　Test

陳淮山(Huai-Shan Chen)

指導教授 ： 蔡錫錚

國立中央大學/工學院/機械工程學系/碩士(2012年)

摘要

粉末冶金技術能夠以低成本實現外形複雜之小型齒輪的量產,此優勢使得粉末冶金齒輪的重要性受到矚目;但由於粉末冶金齒輪具有空孔性之結構,此特徵將可能導致其具有較低之齒根疲勞強度,若要將粉末冶金齒輪作為傳動件使用,則須對其齒根疲勞強度作出充分的檢驗.

　　本研究針對粉末冶金正齒輪的齒根疲勞強度進行檢測,並以疲勞曲線呈現其結果,試驗樣本之成分為Fe-4Ni-0.5Mo-1.5Cu-0.6C;主要的實驗方式是單齒齒根疲勞試驗,另輔以齒輪對運轉試驗為驗證,確保實驗結果能忠實呈現齒輪在一般使用狀況下的強度.疲勞曲線與可靠度的計算,是採韋伯分布與ASTM　E　739-91線性疲勞數據統計分析兩種方法進行,齒根應力則是依ISO　6336-3標準規範計算.

　　實驗結果顯示兩種試驗所得之疲勞曲線互為平行,如此可透過較有效率的單齒齒根疲勞試驗,推測齒輪於真實狀況下的強度表現.本研究亦將材料為Fe-1.75Ni-0.5Mo-1.5Cu-0.6C且經淬火之粉末冶金齒輪作為對照,比較該齒輪與本試驗齒輪的疲勞強度,發現該齒輪之強度整體而言較低,但當循環數越接近無限壽命區時,兩齒輪之強度則越趨接近;另外,本研究亦觀察到齒輪經運轉後,產生了點蝕與刮傷的齒面疲勞破壞.

關鍵字

運轉試驗 ； 疲勞試驗 ； 齒根疲勞強度 ； 粉末冶金齒輪

並列摘要

Powder　metallurgy　technology　or　PM　technology　plays　an　important　role　in　gear　manufacturing　in　recent　years　because　it　is　cost-saving　and　efficient　to　produce　small　gears　with　complex　shapes.　　However,　　the　tooth　root　fatigue　strength　of　the　PM　gear　is　reduced　because　it　is　porous.　　In　order　to　use　the　PM　gear　for　the　power　transmission,　　it　is　necessary　to　explore　the　tooth　root　fatigue　strength　of　the　PM　gear　for　gear　design.

　　In　order　to　determine　the　tooth　root　fatigue　strength　of　the　PM　gear,　　a　fatigue　test　for　single　tooth　of　a　spur　gear　was　conducted.　　The　fatigue　test　results　were　also　verified　by　a　running　test　for　the　spur　gear　pair　on　a　back-to-back　test　rig　under　real　operational　conditions.　　The　composition　of　the　testing　spur　gear　is　Fe-4Ni-0.5Mo-1.5Cu-0.6C.　　The　test　results　are　shown　as　S-N　curves　calculated　based　on　Weibull　distribution　and　ASTM　E　739-91　standard.　　The　corresponding　tooth　root　stress　is　calculated　based　on　ISO　6336-3　standard.

　　The　S-N　curves　obtained　from　the　single　tooth　fatigue　test　and　the　running　test　are　parallel.　　It　means　the　tooth　root　fatigue　strength　under　real　operational　conditions　can　be　also　estimated　from　the　single　tooth　fatigue　test,　　which　is　more　time-saving　and　cost-saving　to　conduct.　　The　available　fatigue　strength　of　a　quenched　PM　gear　with　composition　Fe-1.75Ni-0.5Mo-1.5Cu-0.6C　is　also　compared　with　that　of　the　test　gear　in　the　study.　　The　tooth　bending　strength　of　the　quenched　gear　is　lower　than　that　of　the　test　gear,　　but　it　becomes　closer　to　that　of　the　test　gear,　　in　the　range　of　high　loading　cycles.　　From　the　running　test　results,　　pitting　and　scuffing　were　also　found　on　the　tooth　flanks.

並列關鍵字

fatigue　test ； 　tooth　root　fatigue　strength ； powder　metallurgy　gear ； 　running　test

參考文獻

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