Selection of effective hardened case depth of gears based on the tooth failure mode

LIU Zhongming; LIN Ruiyi; YAN Shidang; PEI Bang; SHI Lubing

doi:10.16578/j.issn.1004.2539.2025.03.021

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Selection of effective hardened case depth of gears based on the tooth failure mode

Review | 更新时间：2025-03-20

- Selection of effective hardened case depth of gears based on the tooth failure mode
- Journal of Mechanical Transmission Vol. 49, Issue 3, Pages: 155-161(2025)
- 作者机构：
  
  1.郑机所（郑州）传动科技有限公司，郑州 450001］
  2.中国机械总院集团郑州机械研究所有限公司，郑州 450001
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.16578/j.issn.1004.2539.2025.03.021
  CLC： TH132
- Received：13 September 2024，
  
  Published：15 March 2025
- 稿件说明：
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刘忠明，林锐怡，颜世铛，等. 基于失效模式的齿轮有效硬化层深选择［J］. 机械传动，2025，49（3）：155-161.

LIU Zhongming，LIN Ruiyi，YAN Shidang，et al. Selection of effective hardened case depth of gears based on the tooth failure mode［J］. Journal of Mechanical Transmission，2025，49（3）：155-161.
刘忠明，林锐怡，颜世铛，等. 基于失效模式的齿轮有效硬化层深选择［J］. 机械传动，2025，49（3）：155-161. DOI： 10.16578/j.issn.1004.2539.2025.03.021.

LIU Zhongming，LIN Ruiyi，YAN Shidang，et al. Selection of effective hardened case depth of gears based on the tooth failure mode［J］. Journal of Mechanical Transmission，2025，49（3）：155-161. DOI： 10.16578/j.issn.1004.2539.2025.03.021.

摘要

目的

齿轮硬化层深度是影响齿轮强度和承载力的关键因素之一。现有研究表明，齿轮不同的失效模式所要求的有效硬化层深度不同。传统的硬化层深度设计往往仅考虑了硬化层与模数的关系，未充分考虑齿轮服役环境、性能要求及失效模式等的影响，未真实反映硬化层深度的理论内涵。【分析】以渗碳淬火齿轮为例，汇总了国内外对有效硬化层深度研究的相关文献及标准；在此基础上，给出了齿轮不同失效模式下的有效硬化层深度设计方法，并给出了最佳硬化层深度的推荐值。

Abstract

Objective

The depth of the hardened layer of gears is a significant factor influencing on strength and load-carrying capacity of gears. Modern research shows that different failure modes of gears require different effective hardened case depths. The traditional design of the hardened case depth often only considers the relation between the hardened layer and modulus

does not fully consider the influence of gear service environment

performance requirements and failure mode

and does not truly reflect the theoretical connotation of the hardened case depth. [Analysis] Taking the carburized and quenched gear as an example

the domestic and foreign literature and standards on the effective hardened case depth was summarized. The design method of the effective hardened case depth under different failure modes of gears was given

and the recommended value of the best hardened case depth was given.

关键词

Keywords

references

孙振茂，吴胜利，段伟建，等 . 基于分形理论的齿面微观形态接触特性分析［J］. 机械传动， 2024 ， 48 （ 9 ）： 1 - 9 .

SUN Zhenmao ， WU Shengli ， DUAN Weijian ， et al . Contact characteristics analysis of tooth surface microscopic morphology based on the fractal theory ［J］. Journal of Mechanical Transmission ， 2024 ， 48 （ 9 ）： 1 - 9 .

卢金生，杜树芳 . 时效硬化渗氮齿轮钢及深层渗氮工艺［J］. 机械传动， 2022 ， 46 （ 4 ）： 165 - 170 .

LU Jinsheng ， DU Shufang . Age-hardening nitriding gear steel and deep case nitriding process ［J］. Journal of Mechanical Transmission ， 2022 ， 46 （ 4 ）： 165 - 170 .

吕虎跃，陈旭阳，丛培武，等 . 第二相析出强化真空渗碳淬火工艺［J］. 金属热处理， 2023 ， 48 （ 5 ）： 236 - 240 .

LÜ Huyue ， CHEN Xuyang ， CONG Peiwu ， et al . Second phase precipitation strengthening process of vacuum carburizing and quenching ［J］. Heat Treatment of Metals ， 2023 ， 48 （ 5 ）： 236 - 240 .

赵少甫，许鸿翔，王红伟，等 . 提高 20Cr2Ni4A 钢齿轮渗碳淬火硬度的试验研究［J］. 金属热处理， 2021 ， 46 （ 7 ）： 120 - 125 .

ZHAO Shaofu ， XU Hongxiang ， WANG Hongwei ， et al . Experimental study on improving carburizing and quenching hardness of gear made of 20Cr2Ni4A steel ［J］. Heat Treatment of Metals ， 2021 ， 46 （ 7 ）： 120 - 125 .

蔡志超 . 变速箱齿轮机加工和热处理工艺优化研究［D］. 广州：华南理工大学， 2018 ： 43 - 49 .

CAI Zhichao . Research on machining and heat treatment process optimization of gearbox gear ［D］. Guangzhou ： South China University of Technology ， 2018 ： 43 - 49 .

LIU H L ， LIU H J ， BOCHER P ， et al . Effects of case hardening properties on the contact fatigue of a wind turbine gear pair ［J］. International Journal of Mechanical Sciences ， 2018 ， 141 ： 520 - 527 .

全国齿轮标准化技术委员会 . 直齿轮和斜齿轮承载能力计算第5部分：材料的强度和质量： GB/T 3480.5—2021 ［S］. 北京：中国标准出版社， 2021 ： 1 - 17 .

National Technical Committee for Gear Standardization . Calculation of load capacity of spur and helical gears-part 5：strength and quality of materials ： GB/T 3480.5—2021 ［S］. Beijing ： Standards Press of China ， 2021 ： 1 - 17 .

International Organization for Standardization . Calculation of load capacity of spur and helical gears-part 5：strength and quality of materials ： ISO 6336-5：2016 ［S］. Geneva ： International Organization for Standardization ， 2016 ： 1 - 30 .

American Gear Manufacturers Association . Appearance of gear teeth - terminology of wear and failure ： ANSI/AGMA 1010-F4 ［S］. Virginia ： American Gear Manufacturers Association ， 2014 ： 3 - 20 .

朱孝录 . 硬齿面齿轮随机断裂的多种失效模式、原因和预防［J］. 机械传动， 2022 ， 46 （ 6 ）： 84 - 94 .

ZHU Xiaolu . Multiple failure modes，causes and prevention of random fracture for hard tooth flank gears ［J］. Journal of Mechanical Transmission ， 2022 ， 46 （ 6 ）： 84 - 94 .

刘睿，陈勇，李光鑫，等 . 斜齿轮疲劳点蚀故障动力学仿真与诊断研究［J］. 机械强度， 2023 ， 45 （ 5 ）： 1050 - 1057 .

LIU Rui ， CHEN Yong ， LI Guangxin ， et al . Dynamic simulation and diagnosis of fatigue pitting fault of helical gear ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2023 ， 45 （ 5 ）： 1050 - 1057 .

刘怀举，张博宇，朱才朝，等 . 齿轮接触疲劳理论研究进展［J］. 机械工程学报， 2022 ， 58 （ 3 ）： 95 - 120 .

LIU Huaiju ， ZHANG Boyu ， ZHU Caichao ， et al . State of art of gear contact fatigue theories ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2022 ， 58 （ 3 ）： 95 - 120 .

肖伟中，郭敏锐，李纪强 . 齿轮齿面剥落失效及裂纹源预测研究与试验验证［J］. 热加工工艺， 2019 ， 48 （ 6 ）： 251 - 254 .

XIAO Weizhong ， GUO Minrui ， LI Jiqiang . Research prediction and test verification of gear tooth surface spalling failure and crack source ［J］. Hot Working Technology ， 2019 ， 48 （ 6 ）： 251 - 254 .

孔令利，贺瑞军，李贵发 . 渗碳层厚度对18C r 2Ni 4 WA钢齿轮淬火畸变影响的模拟研究［J］. 金属热处理， 2021 ， 46 （ 12 ）： 268 - 275 .

KONG Lingli ， HE Ruijun ， LI Guifa . Simulated research on influence of carburized layer thickness on quenching distortion of 18C r 2Ni 4 WA steel gear ［J］. Heat Treatment of Metals ， 2021 ， 46 （ 12 ）： 268 - 275 .

刘怀举，刘鹤立，朱才朝，等 . 轮齿齿面断裂失效研究综述［J］. 北京工业大学学报， 2018 ， 44 （ 7 ）： 961 - 968 .

LIU Huaiju ， LIU Heli ， ZHU Caichao ， et al . Review on gear tooth flank fracture ［J］. Journal of Beijing University of Technology ， 2018 ， 44 （ 7 ）： 961 - 968 .

陈德华，滕鲁湘，李光瑾，等 . 渗碳淬硬层残余应力的分布特征［J］. 热处理， 2011 ， 26 （ 2 ）： 65 - 71 .

CHEN Dehua ， TENG Luxiang ， LI Guangjin ， et al . Distribution characteristics of residual stress in carburized and hardened case ［J］. Heat Treatment ， 2011 ， 26 （ 2 ）： 65 - 71 .

HÖHN B R ， OSTER P ， TOBIE T . Systematic investigations on the influence of case depth on the pitting and bending strength of case carburized gears ［C］// Proceedings of the ASME 2003 International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference ， 2003 ： 111 - 119 .

肖伟中 . 齿轮硬化层疲劳剥落强度研究与应用［D］. 北京：机械科学研究总院， 2016 ： 20 - 81 .

XIAO Weizhong . Research and application of fatigue spalling strength of gear hardened layer ［D］. Beijing ： China Academy of Machinery Science and Technology ， 2016 ： 20 - 81 .

侯静玉，杨绍普，刘永强 . 齿面点蚀对直齿轮副时变啮合刚度及振动响应的影响分析［J］. 振动与冲击， 2024 ， 43 （ 16 ）： 278 - 286 .

HOU Jingyu ， YANG Shaopu ， LIU Yongqiang . Influence of tooth pitting on time-varying mesh stiffness and vibration response of a spur gear pair ［J］. Journal of Vibration and Shock ， 2024 ， 43 （ 16 ）： 278 - 286 .

MAAG Gear Company Ltd . MAAG gear book ［M］. Zurich ： MAAG Gear Company ， 1990 ： 1 - 10 .

关荣鑫，职彦锋，王东飞，等 . 残余应力对SAE9310钢航空齿轮弯曲疲劳寿命的影响［J］. 锻压技术， 2024 ， 49 （ 8 ）： 255 - 262 .

GUAN Rongxin ， ZHI Yanfeng ， WANG Dongfei ， et al . Influence of residual stress on bending fatigue life for SAE9310 steel aviation gears ［J］. Forging & Stamping Technology ， 2024 ， 49 （ 8 ）： 255 - 262 .

DUDLEY D W . Handbook of practical gear design ［M］. Rev.ed.New York ： McGraw-Hill ， 1984 ： 298 - 305 .

American Gear Manufacturers Association . Fundamental rating factors and calculation methods for involute spur and helical gear teeth：AGMA 2101-D04 ［S］. Virginia ： American Gear Manufacturers Association ， 2016 ： 10 - 15 .

International Organization for Standardization . Calculation of load capacity of spur and helical gears-part 4：calculation of tooth flank fracture load capacity ： ISO/TS 6336-4：2019 ［S］. Geneva ： International Organization for Standardization ， 2019 ： 5 - 15 .

OCTRUE M ， GHRIBI D ， SAINSOT P . A contribution to study the tooth flank fracture （TFF） in cylindrical gears ［J］. Procedia Engineering ， 2018 ， 213 ： 215 - 226 .

曹志刚，王敬元，杨永飞，等 . 硬齿面齿轮齿面断裂研究概况［J］. 机械传动， 2022 ， 46 （ 6 ）： 170 - 176 .

CAO Zhigang ， WANG Jingyuan ， YANG Yongfei ， et al . Review on tooth flank fracture failure of hardened gears ［J］. Journal of Mechanical Transmission ， 2022 ， 46 （ 6 ）： 170 - 176 .

Deutsches Institut für Normung . Evaluation of minimum case hardening depth to avoid TFF ［Z］. Berlin ： Deutsches Institut für Normung ， 2024：1-8 .

ERRICHELLO R ， MILBURN A . Optimum carburized and hardened case depth ［J］. Gear Technology ， 2020 ， 37 （ 1 ）： 58 - 65 .

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