设计仿真 | 圆柱齿轮齿面断裂失效风险评估与改进方法
概 述
除了以齿面胶合或齿面剥裂（如点蚀和断齿）为特征的齿轮失效模式外，裂纹也可能在靠近心部的表面下方产生。这些裂纹会导致轮齿断裂，称为齿面断裂（TFF）或轮齿内部疲劳断裂（TIFF）。ISO/TS 6336-4:2019描述了外啮合圆柱直齿轮和斜齿轮齿面断裂承载能力的计算方法。
Romax Enduro中使用ISO/TS 6336-4:2019标准中的方法A进行计算，齿轮微观接触分析的结果作为TFF计算的输入。该方法多用在风电行业或使用较大轮齿、高循环次数的应用场景。
背景：材料暴露量
ISO/TS 6336-4:2019齿面断裂失效承载能力计算标准与ISO6336其它几部分的主要区别在于，它处理的是“材料暴露量”而不是损伤，它没有对如何计算不同载荷工况的影响给出任何指导。在该标准中给出的一些限制为：
•“渗碳齿轮最常出现齿面断裂，但渗氮和感应淬火齿轮也会出现故障，大多数观察到的齿面断裂发生在从动齿轮上。”
•“由于齿面断裂导致的故障通常发生在超过10^7个载荷循环的情况下。”（我们假设这是来自ISO6336-1中的NL）
•“最大材料暴露量AFF,max≥ 0.8，在持续输入扭矩的作用下，可能导致齿面断裂。”
下图类似于应力疲劳曲线（S-N）图，x轴为载荷循环次数，在垂直方向上有载荷或损伤的度量。对于ISO 6336第2和3部分中的点蚀和弯曲失效模式，y轴使用了应力，材料的应力疲劳极限由SN曲线表示，类似于灰色虚线。
在该TFF计算中，没有这种曲线，通过/不通过标准，由红线显示；AFF最大值大于0.8，并且持续扭矩大于10^7次循环。如果带字母的圆点表示荷载情况，则：
•(a) 将通过，因为其AFF,max < 0.8，并且循环次数低于10^7。
•(b) 将通过，因为其AFF,max < 0.8。
•(c) 将不通过，因为其AFF,max > 0.8，并且循环次数高于10^7。
•(d) 和 (e) 将都通过，因为其AFF,max > 0.8，但循环次数没有达到10^7。
对于组合工况，则：
•(a)+(b) = 通过，因为所有工况AFF,max < 0.8。
•(c) + 任何工况= 不通过，因为 (c)不通过。
•(d)+(e) = 该标准描述了连续扭矩负载，但在这里，用户应该考虑从AFF,max > 0.8的工况中增加循环，因此结果是不通过。
•(a)+(e) = 未知的，该标准没有给出组合循环次数的方法，因此这由用户决定，直到业界就失效极限达成进一步协议。
使用示例
工程师观察到某些齿轮的故障不是通常的点蚀或弯曲失效模式，他们想检查确认此失效是否是由于齿面断裂引起，如果是，将提出预防措施防止再次发生此类问题。
在Romax建立的齿轮箱仿真模型中，选择齿轮的载荷工况，检查模型中的材料属性是否与测量的制造齿轮中的属性相匹配。具体地说，对照TFF设置窗口中的计算曲线，检查测量的残余应力和硬度：
然后，使用报告选择器选择要运行的载荷工况和啮合齿轮副，获取TFF计算结果：
结果显示行星轮2和3的齿轮啮合的材料暴露量较高，行星轮3的暴露量最严重。但只有太阳轮的暴露量和循环次数超过了极限。
查看齿轮副接触斑报告，工程师可以检查不同位置处行星轮的TFF结果：
行星轮2和行星轮3由于右侧的接触应力较高，因此具有较高的暴露量。使用3D微观几何结果可更详细地查看到，与最大暴露量发生的深度位置保持一致（约4mm）：
观察2D图形，我们可以进一步查找原因 - 局部应力在表层与心部交界附近达到峰值。此时工程师可以通过查看轮齿失效开始的深度和位置，判断该结果是否与TFF失效相关。
根据该信息，工程师可以通过以下方式防止再次发生这种情况：
•减少局部应力（例如，通过优化齿面微观修形）。
•改善表面硬度分布（例如，通过改变硬化层深度）。
由于此计算需要额外的计算时间，默认情况下它是关闭的。工作流程是：
1.检查要进行TFF计算的齿轮材料，尤其是表面硬度以及抗拉强度；
2.打开需计算的每个齿轮组的TFF计算选项；
3.检查TFF默认设置，并根据需要进行调整（针对每种不同的齿轮材料）；
4.下面的任一项：
a.正常运行单个载荷工况和单个微观几何工况，并在微观几何结果窗口中查看结果；
b.报告> 齿轮> ISO/TS 6336-4……将打开报告选择器，允许用户一键运行多个静力学和微观几何结果。
一个通过优化微观修形降低最大材料暴露量的示例如下：
通过齿面微观修形优化，AFf,max降低了约0.2，现在低于0.8的默认极限。然而，最大接触载荷点距离齿面中心仍然很远，因此我们可以添加一些齿向偏斜，使其向齿面中心移动。此修化过程支持在参数优化工具（DOE）中进行自动化操作，提升优化效率。
使用DOE工具评估TFF结果
尽管降低了AFF,LC最大值，但这可能会在其它方面造成不必要的影响，因此需要综合考量齿轮的其它性能指标。通过DOE自动化参数研究功能可以快速评估这些关注的性能。
DOE计算目标
TFF DOE计算结果
DOE结果显示，这两个行星上的应力都在800-850MPa左右。
打开报告选项卡，查看最佳值（这需要一点工程判断）大致为61号方案，其对应的鼓形量为33um，齿向斜度为 -75um。
转到候选Candidates选项卡，在右侧列表中选择候选61，然后单击应用Apply。
将此最佳方案应用至当前模型，然后选择所有2级太阳轮啮合，并运行荷载工况8、9和10的TFF计算（这将需要几分钟）。
结果表明，我们已经平衡了AFF,max的分数，并将AFF,LC的最大值从大约0.55降至0.43。
