仿生齿轮抗接触疲劳性能的试验研究

呼咏，张永胜，张志辉，韩志武，任露泉

（1.吉林大学机械科学与工程学院，吉林长春130022；2.泛亚汽车技术中心有限公司试验认证部，上海201201；3.吉林大学工程仿生教育部重点实验室，吉林长春130022）

仿生齿轮抗接触疲劳性能的试验研究

呼咏1，3，张永胜2，张志辉3，韩志武3，任露泉3

（1.吉林大学机械科学与工程学院，吉林长春130022；2.泛亚汽车技术中心有限公司试验认证部，上海201201；3.吉林大学工程仿生教育部重点实验室，吉林长春130022）

为了提高传动齿轮的抗接触疲劳性能，依据生物耦合耐磨原理，模仿潮间带贝类体表设计了9种条纹状组织非光滑仿生表面形态和软硬相间结构，利用激光微区处理技术进行了仿生抗接触疲劳圆柱滚子试件的制备。利用仿生圆柱滚子试件对滚模拟了齿轮副的啮合传动，通过正交试验及其优化方法优选出适合的仿生表面制备工艺参数和形态分布参数，从而制备出具有良好环境适应性和实用性的仿生齿轮。经啮合传动试验表明，仿生齿轮的抗接触疲劳性能较普通齿轮提高20%以上，表面润滑条件改善、碎屑有效收集、散热面积增大、裂纹传播阻断等综合作用是仿生齿轮抗接触疲劳性能提高的主要原因。

仿生齿轮；接触疲劳；激光淬火；工程仿生；正交试验；啮合传动；仿生滚子试件

齿轮是机械装备中极其重要的传动部件，其抗接触疲劳性能的优劣直接影响到齿轮的使用寿命。针对该问题，国内外许多研究者采用多种方法进行了提高齿轮抗接触疲劳性能的尝试，例如表面强化技术［1］、改变齿轮材质［2］、改进齿轮的制造方法［3］、改变并优化齿形［4］以及加强齿轮的润滑能力［5］等，但这些方法多从齿轮或其表面整体进行研究，采用材料处理技术，而未考虑表面几何、结构等多因素的影响。本文从仿生学的角度出发，通过构建表面几何形态和软硬相间结构的仿生技术来提高齿轮的抗接触疲劳性能。

吉林大学工程仿生教育部重点实验室科研人员一直致力于生物表面仿生工程的研究，研制了一批具有实际应用价值的产品，例如根据穿山甲鳞片以及蚯蚓体表的非光滑形态等研制了具有较好耐磨性能的冶金轧辊［6］、制动毂［7］、模具［8］、缸套、活塞等［9］。

本文模仿潮间带贝类体表设计了9种条纹状组织非光滑仿生表面形态和软硬相间结构；利用仿生圆柱滚子试件的对滚模拟了齿轮副的啮合传动，通过正交试验及其优化方法优选出适合的仿生表面制备工艺参数和形态分布参数，从而制备出具有良好环境适应性和实用性的仿生齿轮；凭借啮合传动试验验证了仿生齿轮的抗接触疲劳性能，分析了其抗接触疲劳性能提高的重要原因。

1 仿生齿轮的制备

1.1 仿生表面形态设计与圆柱滚子试件制备

1.1.1 仿生表面形态与结构的设计

以潮间带贝类的外壳表面为仿生研究对象，结合齿轮的尺寸参数、工作状况和表面精度等级，通过正交试验方法设计9种不同参数类型的、软硬相间的、具有微小宽度和深度的（宽度为160～260 μm，深度为3 μm）并规则排列的条纹状组织非光滑仿生表面形态，条纹处为高硬度的区域。常规的机械加工技术很难制备如此微小的仿生形态，同时也不易得到软硬相间的结构，所以本文采用激光加工技术来制备组织非光滑仿生表面形态。设计仿生表面形态时主要考虑如下3个参数：条纹宽度A、激光扫描速度B和条纹周向中心距C。其中，激光扫描速度与条纹处硬化层的深度有关，结合加工设备的工艺特点与齿轮的材料、表面质量等经过多次调试来确定。表1为9种组织非光滑仿生表面形态的具体参数。

表1 9种条纹状组织非光滑仿生表面形态参数Table1 Parameters of 9 stripy bionic surface morphologies

1.1.2 仿生圆柱滚子试件的制备

相互啮合的圆柱齿轮在啮合过程中，某一啮合点的接触应力就相当于轴线平行的两圆柱体接触时的接触应力，所以为了降低成本、简化试验，可用2个圆柱体的对滚来代替2个轮齿的啮合。因此可以将设计的9种仿生表面形态制备到圆柱滚子试件上获得仿生圆柱滚子试件，通过仿生圆柱滚子试件的对滚试验挑选出最优的仿生表面形态，进而制备出仿生齿轮。图1为采用正交试验方法设计的圆柱滚子试件的示意图。图2为贝壳表面形貌放大图与采用激光技术制备的仿生圆柱滚子试件表面（放大120倍，仿生条纹平行于圆柱滚子试件的轴线）。圆柱滚子试件的材料为45钢；所使用的激光处理机型号为JG20⁃1，额定功率为300 W，激光电流为4.5 A，频率为5～10 Hz，激光光斑直径为Φ0.15 mm。

由扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）观测仿生圆柱滚子试件表面可知，黑色条纹为激光扫描区域，而白色部分为未进行激光扫描的区域（图2（b））。经放大图像观察发现，黑色条纹处发生了激光淬火现象，从仿生试件外圆面依次向里为淬火硬化层、过渡层和基体；硬化层的主要组织为马氏体M和残余奥氏体Ar，过渡层的主要组织为珠光体P和马氏体M，基体的主要组织为珠光体P和铁素体F（图3）。仿生试件的次表层硬度值最高，为400 HV左右；而基体的硬度值最低，约为200 HV。

图1 圆柱滚子试件Fig.1 Cylindrical roller specimen

图2 贝壳表面与仿生试件表面Fig.2 Surface of shell and excircle surface of bionic roller

图3 圆柱滚子试件断面形貌Fig.3 Cross section of specimen

1.2 圆柱滚子试件的对滚试验

1.2.1 对滚试验过程

圆柱滚子试件的对滚试验在MM⁃200型磨损试验机上进行，对滚时试验机的上轴分别装卡9个仿生试件（1～9号）、1个全表面激光淬火试件（10号，用激光处理整个试件的工作表面）和1个未处理试件（11号）；试验机的下轴分别装卡11个相同的对滚件（普通淬火件，450 HV）。

为了模仿闭式齿轮在润滑状况下既有滚动又有微小滑动的传动特点，对滚时手动加载300 N，试验机的上、下两轴选用不同的旋转方向（见图1）和不同的旋转速度，其中上轴转速选为360 r／min，下轴转速选为400 r／min。每隔30 min润滑一次圆柱滚子试件，同时测量一次上轴试验件的质量。当仿生圆柱滚子试件外圆面上的仿生表面形态即将消失时停止试验，最后记录每对滚子试件累计运行了4 h。采用下式

来计算试验件的磨损量和磨损率，得到了表2所示的试验结果。式中：W表示试件的磨损量，W0表示试件在试验前的质量，W1表示试件在试验后的质量，ε%表示试件的磨损率。从所有圆柱滚子试件的磨损量和磨损率对比图（图4、图5）可以看出，仿生圆柱滚子试件的磨损量和磨损率均小于激光淬火圆柱滚子试件和普通圆柱滚子试件，其中耐磨性最好的是2号试件（仿生圆柱滚子试件），耐磨性最差的是11号试件（普通圆柱滚子试件），试件耐磨性能从优到劣的排序为：2号＞1号＞7号＞8号＞4号＞6号＞3号＞5号＞9号＞10号＞11号。

图4 11个圆柱滚子试件的磨损量对比Fig.4 Comparison of wear volume of 11 rollers

图5 11个圆柱滚子试件的磨损率对比Fig.5 Comparison of wear rate of 11 rollers

1.2.2 结果分析

采用极差法［9］对上述正交试验的结果进行分析，见表2，影响试件耐磨性的主次因素分别为B（扫面速度）、A（条纹宽度）、C（条纹周向中心距）；优水平分别为A1、B2、C2；最佳组合为A1B2C2。

主次因素说明激光扫描速度对滚子试件耐磨性的影响最为显著，条纹宽度次之，条纹周向中心距最小。扫面速度影响试件硬化层（条纹区域）的深度，硬化层越深的试件耐磨性和抗疲劳性能越高。条纹宽度和周向中心距的数值应在一个合理的范围内，不同的数值会对试件的耐磨性和疲劳寿命造成不同程度的影响。

表2 仿生圆柱滚子试件磨损率的正交试验结果分析Table2 The results of orthogonal experiment of rollers

1.3 仿生齿轮的制备

普通齿轮是在精磨以后不经任何热处理而获得的齿轮，轮齿表面保持光滑。仿生齿轮是用激光表面毛化处理机把优选出的2号试件的仿生表面形态制备到齿轮的轮齿表面而得到的齿轮。其中，齿轮材料为45钢；模数为4 mm；齿轮精度等级为6级；齿宽为20 mm；大齿轮齿数为27，变位系数为0.138 7，分度圆直径为Φ108 mm；小齿轮齿数为18，变位系数为0.26，分度圆直径为Φ72 mm。

2 仿生齿轮与普通齿轮的传动试验

2.1 试验过程

用CL⁃100A齿轮试验机分别进行普通齿轮和仿生齿轮的啮合传动试验。试验时，首先进行2 h的空载跑合，然后根据齿轮材料和热处理情况分2个阶段完成加载传动试验。第1阶段往小齿轮上加载扭矩38.22 N·m，并将试验机转速调为1 450 r／min，试验机累计运行4 h；第2阶段往小齿轮上加载扭矩48.02 N·m，转速同样采用1 450 r／min，累计运行8 h。2.2 试验结果分析

普通齿轮和仿生齿轮在进行了1.218×106次循环接触后所有齿面均出现了蚀坑，蚀坑出现的位置不固定，但大多位于分度圆附近。本文通过显微镜直接观测法来测算试验齿轮的单齿点蚀面积率，进而衡量轮齿的点蚀程度，观测设备为VHX⁃900超景深三维显微系统，观测结果见图6、7。

普通大齿轮与普通小齿轮的平均单齿点蚀面积率分别为1.26%、1.55%，而仿生大齿轮与仿生小齿轮的平均单齿点蚀面积率分别为0.58%、1.04%。从图8可以看出，仿生齿轮的蚀坑较稀疏、较少，而普通齿轮的蚀坑较密集、较多。这说明本文设计的具有一定深度和宽度的、软硬相间的仿生表面形态提高了齿轮的抗接触疲劳性能。

图6 大齿轮的点蚀面积率对比Fig.6 Comparison of single tooth pitting area ratios of gearwheels

图7 小齿轮的点蚀面积率对比Fig.7 Comparison of single tooth pitting area ratios of pinions

图8 普通齿轮与仿生齿轮点蚀的对比Fig.8 Comparison of pitting between regular gears and bionic gears

3 仿生齿轮的抗接触疲劳机理分析

研究表明，仿生齿轮表面的微小仿生单元可以储存润滑油，形成“微油池”，改善了轮齿的润滑条件［10］；经进一步EDS分析，发现大量的磨屑产物在凹坑中富集（见图9），证明仿生单元还具有存储碎屑的作用，从而降低轮齿的磨损。

仿生齿轮轮齿表面的仿生单元扩大了轮齿的表面积，提高了轮齿的散热性，从而能较好地消除轮齿升温后带来的不良影响。

仿生齿轮轮齿表面均匀分布的微小仿生单元能有效弥散和阻塞轮齿表面材料的滑移运动，降低疲劳裂纹在仿生单元内萌生的几率，阻断和减弱疲劳裂纹的传播进程［11］（如图10所示）；而激光淬火技术使轮齿表面层的晶粒细化、硬度提高［12］。

正是由于上述这些原因，使仿生齿轮的抗接触疲劳性能得到了较大的提高。

另一方面，高接触压力环境下的齿轮啮合，会在微坑边缘出现局部压力高峰，这是由于仿生单元与基体材料硬度不同，其抵御外部载荷的能力也不同，凹坑边缘处于软硬力学非光滑的交界区域，更易累积外部应力而产生应力集中。但在本文研究中，尚未在该区域发现过多裂纹、过大磨损产生的异常失效现象。这可能的原因是，激光淬火处理的凹坑边缘区域在热应力和相变应力的综合作用下，产生了较大残余压应力，致使外部有害应力受到抵消，从而避免失效的过早发生。而随着接触循环次数的提高，裂纹出现并扩展至仿生单元，在受到单元体的阻滞后，扩展的能量被分散，扩展驱动力减小直至裂纹终止，从而使齿轮的接触疲劳性能显著改善。

关于仿生凹坑周围应力分布对齿轮接触疲劳性能的影响，将在今后的研究中进一步探讨。

图9 凹坑区域EDS成分分析Fig.9 EDS analysis in the concave zone

图10 阻断作用和减弱作用Fig.10 Blocking effect and weakening effect

4 结论

本文以潮间带贝类为仿生对象设计了9种仿生表面形态，通过仿生圆柱滚子试件的对滚模拟齿轮的啮合传动，并从中选出最优的仿生表面形态，进而制备了仿生齿轮；通过齿轮试验机分别对普通齿轮和仿生齿轮进行了啮合传动试验。由此，得出以下主要结论：

1）利用激光微区处理技术制备的仿生齿轮的抗接触疲劳性能要明显优于普通齿轮。

2）通过对仿生齿轮的抗接触疲劳机理进行分析，得知仿生齿轮表面的微小仿生单元能改善轮齿的润滑条件、存储碎屑、增大轮齿的散热面积、阻断和减弱疲劳裂纹的传播进程以及激光淬火使轮齿表面组织细化、硬度提高等是提高仿生齿轮抗接触疲劳性能的主要原因。

本文不仅扩展了仿生学的应用范围，而且为工程仿生技术在齿轮上的实际应用打下了一定的基础。

［1］MARKOVICS L，MILOVIC L，VRHOVAC M，et al.Life extension of gears flank surfaces regenerated by hard facing［J］.Metalurgia International，2013，18（2）：81⁃85.

［2］YU Y X，HEBL，SHAO E Y.Research on contact fatigue properties of some materials used for heavy load gear［J］.Advanced Materials Research，2011，139⁃141：360⁃363.

［3］LI Y B，JIANG T，ZHENG P.A new method for hardened gears machining⁃ausformfinishing process［J］.Advanced Ma⁃terials Research，2011，279：291⁃295.

［4］PEDERSEN N L.Improving bending stress in spur gears u⁃sing asymmetric gears and shape optimization［J］.Mecha⁃nism and Machine Theory，2010，45（11）：1707⁃1720.

［5］MEHEUX M，MINFRAY C，VILLE F，et al.Effect of lubri⁃cant additives in rolling contact fatigue［J］.Journal of Engi⁃neering Tribology，2010，224：947⁃955.

［6］杨卓娟.凹坑形仿生非光滑轧辊耐磨性研究［D］.长春：吉林大学，2006：93⁃98.YANG Zhuojuan.Research of wear⁃resistance on roller with biomimetical non⁃smooth concave surface［D］.Changchun：Jilin University，2006：93⁃98.

［7］张志辉，任露泉，周宏，等.抗热疲劳仿生耦合制动毂的激光加工参数［J］.吉林大学学报：工学版，2009，39（4）：953⁃958.ZHANG Zhihui，REN Luquan，ZHOU Hong，et al.Laser processing parameter optimization and application of biomim⁃ etic coupling brake drum with high thermal fatigue resistance［J］.Journal of Jilin University：Engineering and Technology Edition，2009，39（4）：953⁃958.

［8］JIA Z X，LI J Q，LIU L J，et al.Performance enhancements of high⁃pressure die⁃casting die processed by biomimetic la⁃ser⁃remelting process［J］.International Journal Of Advanced Manufacturing Technology，2012，58（5⁃8）：421⁃429.

［9］邓宝清，任露泉，苏岩，等.模拟活塞缸套摩擦副的仿生非光滑表面的摩擦学研究［J］.吉林大学学报：工学版，2004，34（1）：79⁃84.DENG Baoqing，REN Luquan，SU Yan，et al.Tribological study on bionically unsmoothed surface modeling piston⁃cyl⁃inder friction pair［J］.Journal of Jilin University：Engineer⁃ing and Technology Edition，2004，34（1）：79⁃84.

［10］SURYA P M，ANDREAS A P.Tribological studies of un⁃polished laser surface textures under starved lubrication conditions for use in air⁃conditioning and refrigeration com⁃pressors［J］.Tribology International，2011，44（12）：1890⁃1901.

［11］韩志武，吕尤，牛士超，等.仿生表面形态对齿轮弯曲疲劳性能的影响［J］.吉林大学学报：工学版，2011，41（3）：702⁃705.HAN Zhiwu，LYU You，NIU Shichao，et al.Bending fa⁃tigue strength of gear surface with grid micro⁃morphology［J］.Journal of Jilin University：Engineering and Technolo⁃gy Edition，2011，41（3）：702⁃705.

［12］石娟，戴忠森.激光淬火齿轮的疲劳寿命和耐磨性机理分析［J］.机械传动，2005，29（2）：57⁃60，57.SHI Juan，DAI Zhongsen.The mechanism analysis of fa⁃tigue life and wear resistance of laser hardening gears［J］.Journal of Mechanical Transmission，2005，29（2）：57⁃60，57.

Experimental study on contact fatigue resistance of bionic gears

HU Yong1，3，ZHANG Yongsheng2，ZHANG Zhihui3，HAN Zhiwu3，REN Luquan3
（1.School of Mechanical Science and Engineering，Jilin University，Changchun 130022，China；2.Department of Testing and Certifi⁃cation，Pan Asia Technical Automotive Center，Shanghai 201201，China；3.Key Laboratory of Bionic Engineering，Ministry of Educa⁃tion，Jilin University，Changchun 130022，China）

In order to improve the contact fatigue resistance of gears，based on the biological coupling wear⁃resisting principle，nine kinds of stripy bionic surface morphologies and soft and hard alternated structure were designed by imitating the surface of intertidal shellfish.Bionic cylindrical rollers were fabricated using micro⁃area processing technology by laser texturing machine.The transmission of two gears was simulated by rolling of two rollers.The op⁃timum technological parameters and morphological data were obtained by orthogonal experiment and its optimization method，and then the bionic gears with good environmental adaptability and practicability were fabricated.The reg⁃ular gears and bionic gears are tested on the gear tester，respectively.The results indicated that the bionic gear shows better contact fatigue resistance than the regular gears by 20%.The comprehensive improvement of surface lubrication conditions，effective collection of chips，increase of heat dissipation area，and crack propagation block is the main reason for enhancement of the performance of bionic gear contact fatigue resistance.

bionic gear；contact fatigue；laser⁃quenching；engineering bionic；orthogonal experiment；meshing transmission；bionic cylindrical rollers

10.3969／j.issn.1006⁃7043.201311035

http：／／www.cnki.net／kcms／detail／23.1390.U.20150109.1659.021.html

TB17

A

1006⁃7043（2015）03⁃0379⁃05

2013⁃11⁃12.网络出版时间：2015⁃01⁃09.基金项目：国家自然科学基金资助项目（51005097）.

呼咏（1966⁃），女，教授，博士.

呼咏，E⁃mail：huyong＠jlu.edu.cn.