Study on rolling contact fatigue life of aviation gear steel based on modified LP theory

ZHAO Xinhao; WU Jizhan; LIU Guoliang; LI Jiawei; LU Zehua

doi:10.16578/j.issn.1004.2539.2026.01.018

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Study on rolling contact fatigue life of aviation gear steel based on modified LP theory

Test·Analysis | 更新时间：2026-01-23

- Study on rolling contact fatigue life of aviation gear steel based on modified LP theory
- Journal of Mechanical Transmission Vol. 50, Issue 1, Pages: 142-154(2026)
- 作者机构：
  
  1.中国航发中传机械有限公司，长沙 410200
  2.中国航空发动机集团有限公司航空齿轮制造技术创新中心，长沙 410200
  3.重庆大学高端装备机械传动全国重点实验室，重庆 400044
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.16578/j.issn.1004.2539.2026.01.018
  CLC： TH114
- Received：07 September 2024，
  
  Published：15 January 2026
- 稿件说明：
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赵新浩，吴吉展，刘国亮，等. 基于修正LP理论的航空齿轮钢滚动接触疲劳寿命研究［J］ .机械传动，2026，50（1）：142-154.

ZHAO Xinhao，WU Jizhan，LIU Guoliang，et al. Study on rolling contact fatigue life of aviation gear steel based on modified LP theory［J］. Journal of Mechanical Transmission，2026，50（1）：142-154.
赵新浩，吴吉展，刘国亮，等. 基于修正LP理论的航空齿轮钢滚动接触疲劳寿命研究［J］ .机械传动，2026，50（1）：142-154. DOI： 10.16578/j.issn.1004.2539.2026.01.018.

ZHAO Xinhao，WU Jizhan，LIU Guoliang，et al. Study on rolling contact fatigue life of aviation gear steel based on modified LP theory［J］. Journal of Mechanical Transmission，2026，50（1）：142-154. DOI： 10.16578/j.issn.1004.2539.2026.01.018.

摘要

目的

接触疲劳是高速、重载服役工况下齿轮的主要失效形式，已成为限制航空装备朝着高可靠、长寿命、高功率密度方向发展的主要技术瓶颈。为探究齿轮接触疲劳寿命的定量预测，开展了相关工作。

方法

首先，制备了400余件9310航空齿轮钢滚动接触疲劳试件并进行了5 000余小时的接触疲劳试验，探究了接触应力、滑差率等服役工况及渗碳磨削、喷丸强化、微粒喷丸、滚磨光整等工艺创成的表面完整性状态对滚动接触疲劳寿命的影响；其次，采用多元线性回归方法对伦德伯格-帕尔姆格伦（Lundberg-Palmgren

LP）理论进行修正，形成了基于服役工况和表面完整性参数的LP滚动接触疲劳寿命预测公式。

结果

研究发现，当滑差率从10%提升至30%时，在接触应力为3 000 MPa的条件下，接触疲劳寿命从2.28×10

r下降52.6%至1.08×10

r；当二次喷丸工艺的强化效果较好时，接触应力为3 000 MPa、滑差率为20%时的寿命从渗碳磨削状态的1.52×10

r提升113.8%至3.25×10

r；考虑服役工况和表面完整性的LP接触疲劳寿命预测公式的预测结果误差控制在2倍分散带以内，能够满足工程应用的要求。

Abstract

Objective

Contact fatigue failure is the primary failure mode for gears operating under extreme conditions such as high speed

heavy duty

and high temperature. It has become a significant technical bottleneck limiting the development of aviation equipment toward higher reliability

longer life

and higher power density. Predicting contact fatigue life is now a critical focus of both engineering and academic research. The quantitative prediction research of gear contact fatigue life was carried out.

Methods

Firstly

over 400 rolling contact fatigue specimens made from 9310 aviation gear steel were prepared and subjected to more than 5 000 hours of fatigue testing. The investigation examined the effects of service conditions

such as contact stress and slip rate

as well as surface integrity states created by over ten processes including carburizing grinding

shot peening

fine particle peening

and rolling finishing

on rolling contact fatigue life. Secondly

the Lundberg-Palmgren （LP） theory was modified using multiple linear regression methods

resulting in an LP rolling contact fatigue life prediction formula based on service conditions and surface integrity parameters.

Results

It is found that increasing the slip rate from 10% to 30% reduces the fatigue life at a contact stress of 3 000 MPa by 52.6%

from 2.28×10

r to 1.08×10

r. Additionally

when the contact stress is 3 000 MPa and the slip

rate is 20%

dual shot peening significantly improves fatigue life

increasing it by 113.8% from 1.52×10

r in the carburizing grinding state to 3.25×10

r. The derived LP contact fatigue life prediction formula

considering service conditions and surface integrity

demonstrates an error margin within twice dispersion band

thus meeting engineering application requirements.

关键词

Keywords

references

WU J Z ， WEI P T ， ZHU C C ， et al . Development and application of high strength gears ［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology ， 2024 ， 132 （ 7 ）： 3123 - 3148 .

刘怀举，陈地发，朱才朝，等 . 齿轮弯曲疲劳的研究进展与发展趋势［J］. 机械工程学报， 2024 ， 60 （ 3 ）： 83 - 108 .

LIU Huaiju ， CHEN Difa ， ZHU Caichao ， et al . State-of-art and trend of gear bending fatigue studies ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2024 ， 60 （ 3 ）： 83 - 108 .

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 .

CHEN T M ， ZHU C C ， CHEN J X ， et al . A review on gear scuffing studies：theories，experiments and design ［J］. Tribology International ， 2024 ， 196 ： 109741 .

李嘉玮，赵新浩，李炎军，等 . 服役工况及喷丸强化对航空齿轮钢接触疲劳性能的影响［J］. 表面技术， 2023 ， 52 （ 2 ）： 14 - 24 .

LI Jiawei ， ZHAO Xinhao ， LI Yanjun ， et al . Effect of service condition and shot peening on rolling contact fatigue performance of aviation gear steel ［J］. Surface Technology ， 2023 ， 52 （ 2 ）： 14 - 24 .

GUO F ， WU S C ， LIU J X ， et al . Fatigue life assessment of bogie frames in high-speed railway vehicles considering gear meshing ［J］. International Journal of Fatigue ， 2020 ， 132 ： 105353 .

KAHRAMAN A ， WINK C ， MOSS J . An experimental study of influence of lubrication methods on efficiency and contact fatigue life of spur gears ［J］. Journal of Tribology ， 2018 ， 140 （ 5 ）： 051103 .

CHEN T M ， ZHU C C ， LIU H J ， et al . Simulation and experiment of carburized gear scuffing under oil jet lubrication ［J］. Engineering Failure Analysis ， 2022 ， 139 ： 106406 .

ZHANG B Y ， LIU H J ， BAI H Y ， et al . Ratchetting-multiaxial fatigue damage analysis in gear rolling contact considering tooth surface roughness ［J］. Wear ， 2019 ， 428 ： 137 - 146 .

OHUE Y ， MATSUMOTO K . Sliding-rolling contact fatigue and wear of maraging steel roller with ion-nitriding and fine particle shot-peening ［J］. Wear ， 2007 ， 263 （ 1/2/3/4/5/6 ）： 782 - 789 .

张文博，刘怀举，朱才朝，等 . 夹杂物对齿轮接触疲劳性能影响的仿真分析［J］. 机械传动， 2020 ， 44 （ 11 ）： 14 - 20 .

ZHANG Wenbo ， LIU Huaiju ， ZHU Caichao ， et al . Simulation analysis of the influence of inclusion on contact fatigue performance of gear ［J］. Journal of Mechanical Transmission ， 2020 ， 44 （ 11 ）： 14 - 20 .

ZHANG X H ， WEI P T ， PARKER R G ， et al . Study on the relation between surface integrity and contact fatigue of carburized gears ［J］. International Journal of Fatigue ， 2022 ， 165 ： 107203 .

李永祥，王明旭，宋斌斌 . 35CrNiMo感应淬火齿轮接触疲劳强度试验［J］. 机械设计与研究， 2018 ， 34 （ 3 ）： 124 - 126 .

LI Yongxiang ， WANG Mingxu ， SONG Binbin . Experimental study on contact fatigue strength of induction hardened gears of 35CrNiMo ［J］. Machine Design & Research ， 2018 ， 34 （ 3 ）： 124 - 126 .

高玉魁 . 表面完整性理论与应用［M］. 北京：化学工业出版社， 2014 ： 75 - 79 .

GAO Yukui . Theory and application of surface integrity ［M］. Beijing ： Chemical Industry Press ， 2014 ： 75 - 79 .

KRANTZ T L ， ALANOU M P ， EVANS H P ， et al . Surface fatigue lives of case-carburized gears with an improved surface finish ［J］. Journal of Tribology ， 2001 ， 123 （ 4 ）： 709 - 716 .

WU J Z ， WEI P T ， LIU G Q ， et al . A comprehensive evaluation of DLC coating on gear bending fatigue，contact fatigue，and scuffing performance ［J］. Wear ， 2024 ， 536 / 537 ： 205177 .

SONG J D ， LUO S H ， LIANG X Q ， et al . Rolling contact fatigue and damage characteristic of AISI 9310 steel with pre-laser shock peening treatment ［J］. International Journal of Fatigue ， 2022 ， 155 ： 106588 .

吴吉展，魏沛堂，吴少杰，等 . 航空齿轮钢滚动接触疲劳性能预测与表面完整性优化［J］. 机械工程学报， 2024 ， 60 （ 8 ）： 81 - 93 .

WU Jizhan ， WEI Peitang ， WU Shaojie ， et al . Rolling contact fatigue performance prediction and surface integrity optimization of aviation gear steel ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2024 ， 60 （ 8 ）： 81 - 93 .

ZHANG B Y ， LIU H J ， WEI P T ， et al . A modified model of Lundberg-Palmgren rolling contact fatigue formula considering the effects of surface treatments ［J］. Friction ， 2023 ， 11 （ 10 ）： 1922 - 1938 .

吴吉展，魏沛堂，刘怀举，等 . 航空齿轮钢表面完整性与滚动接触疲劳性能关联规律研究［J］. 机械工程学报， 2024 ， 60 （ 4 ）： 284 - 295 .

WU Jizhan ， WEI Peitang ， LIU Huaiju ， et al . Study on the correlation between surface integrity and rolling contact fatigue performance of aviation gear steel ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2024 ， 60 （ 4 ）： 284 - 295 .

吴吉展，朱才朝，魏沛堂，等 . 航空齿轮钢强化工艺与表面完整性关联规律研究［J］. 表面技术， 2024 ， 53 （ 1 ）： 153 - 168 .

WU Jizhan ， ZHU Caichao ， WEI Peitang ， et al . Correlation between strengthening process and surface integrity of aviation gear steel ［J］. Surface Technology ， 2024 ， 53 （ 1 ）： 153 - 168 .

WU J Z ， LIU H J ， WEI P T ， et al . Effect of shot peening coverage on residual stress and surface roughness of 18CrNiMo7-6 steel ［J］. International Journal of Mechanical Sciences ， 2020 ， 183 ： 105785 .

WU J Z ， WEI P T ， GUAGLIANO M ， et al . A study of the effect of dual shot peening on the surface integrity of carburized steel：combined experiments with dislocation density-based simulations ［J］. Archives of Civil and Mechanical Engineering ， 2024 ， 24 （ 2 ）： 83 .

ZHANG B Y ， WEI P T ， LIU H J ， et al . Effect of fine particle peening on surface integrity of flexspline in harmonic drive ［J］. Surface and Coatings Technology ， 2022 ， 433 ： 128133 .

CARRANZA FERNANDEZ R ， TOBIE T ， COLLAZO J . Increase wind gearbox power density by means of IGS （Improved Gear Surface）［J］. International Journal of Fatigue ， 2022 ， 159 ： 106789 .

WU J Z ， CHEN K W ， ZHANG P ， et al . Effects of peening velocity and coverage on peen forming ［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers ，Part E：Journal of Process Mechanical Engineering， 2025 ， 239 （ 3 ）： 1523 - 1534 .

TIAN Y Z ， LI L L ， LI J J ， et al . Correlating strength and hardness of high-entropy alloys ［J］. Advanced Engineering Materials ， 2021 ， 23 （ 8 ）： 2001514 .

WU J Z ， WEI P T ， LIU H J ， et al . Effect of shot peening intensity on surface integrity of 18CrNiMo7-6 steel ［J］. Surface and Coatings Technology ， 2021 ， 421 ： 127194 .

ZHANG X ， LIU H J ， WU S J ， et al . Experimental investigation on the effect of barrel finishing processes on surface integrity of 18CrNiMo7-6 carburized rollers ［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers ，Part E：Journal of Process Mechanical Engineering， 2022 ， 236 ： 2095 - 2105 .

魏冰阳，李家琦，王文胜 . 基于差齿面拓扑的轮齿承载拟赫兹接触分析［J］. 中国机械工程， 2021 ， 32 （ 18 ）： 2174 - 2180 .

WEI Bingyang ， LI Jiaqi ， WANG Wensheng . Quasi-Hertz loaded tooth contact analysis of gears based on ease-off surface topology ［J］. China Mechanical Engineering ， 2021 ， 32 （ 18 ）： 2174 - 2180 .

MA L ， HE C G ， ZHAO X J ， et al . Study on wear and rolling contact fatigue behaviors of wheel/rail materials under different slip ratio conditions ［J］. Wear ， 2016 ， 366 ： 13 - 26 .

郭伟，曹宏瑞，訾艳阳，等 . 滚动轴承接触疲劳裂纹建模与扩展规律研究［J］. 中国机械工程， 2023 ， 34 （ 16 ）： 1891 - 1899 .

GUO Wei ， CAO Hongrui ， ZI Yanyang ， et al . Study on contact fatigue crack modeling and propagation law of rolling bearings ［J］. China Mechanical Engineering ， 2023 ， 34 （ 16 ）： 1891 - 1899 .

LUNDBERG G ， PALMGREN A . Dynamic capacity of rolling bearings ［J］. Journal of Applied Mechanics ， 1949 ， 16 （ 2 ）： 165 - 172 .

FORSTER N H ， ROSADO L ， OGDEN W P ， et al . Rolling contact fatigue life and spall propagation characteristics of AISI M50，M50 NiL，and AISI 52100，part III：metallurgical examination ［J］. Tribology Transactions ， 2009 ， 53 （ 1 ）： 52 - 59 .

COY J J ， TOWNSEND D P ， ZARETSKY E V . Dynamic capacity and surface fatigue life for spur and helical gears ［J］. Journal of Lubrication Technology ， 1976 ， 98 （ 2 ）： 267 - 274 .

TOWNSEND D P ， COY J J ， ZARETSKY E V . Experimental and analytical load-life relation for AISI 9310 steel spur gears ［J］. Journal of Mechanical Design ， 1978 ， 100 （ 1 ）： 54 - 60 .

HE C G ， HUANG Y B ， MA L ， et al . Experimental investigation on the effect of tangential force on wear and rolling contact fatigue behaviors of wheel material ［J］. Tribology International ， 2015 ， 92 ： 307 - 316 .

王庆志，张秀华，吴吉展，等 . 基于CatBoost算法的渗碳齿轮接触疲劳极限预测方法研究［J］. 力学学报， 2024 ， 56 （ 12 ）： 3564 - 3576 .

WANG Qingzhi ， ZHANG Xiuhua ， WU Jizhan ， et al . Research on contact fatigue limit prediction method of carburized gears based on CatBoost algorithm ［J］. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics ， 2024 ， 56 （ 12 ）： 3564 - 3576 .

ZHOU R S . Surface topography and fatigue life of rolling contact bearing ［J］. Tribology Transactions ， 1993 ， 36 （ 3 ）： 329 - 340 .

CERULLO M . Application of Dang Van criterion to rolling contact fatigue in wind turbine roller bearings under elastohydrodynamic lubrication conditions ［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers ，Part C：Journal of Mechanical Engineering Science， 2014 ， 228 （ 12 ）： 2079 - 2089 .

ZARETSKY E V . Rolling bearing steels：a technical and historical perspective ［J］. Materials Science and Technology ， 2012 ， 28 （ 1 ）： 58 - 69 .

刘怀举，朱才朝，魏沛堂，等 . 齿轮接触疲劳理论与实践［M］. 北京：科学出版社， 2024 ： 526 - 533 .

LIU Huaiju ， ZHU Caichao ， WEI Peitang ， et al . Theory and practice of gear contact fatigue ［M］. Beijing ： Science Press ， 2024 ： 526 - 533 .

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