Study on the contact fatigue prediction model of carburized and quenched spur gears with multiaxial stress properties

LI Luke; XING Yongxiang; YAN Shidang; WANG Xiaopeng

doi:DOI：10.16578/j.issn.1004.2539.2025.09.002

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Study on the contact fatigue prediction model of carburized and quenched spur gears with multiaxial stress properties

Theory·Research | 更新时间：2025-09-20

- Study on the contact fatigue prediction model of carburized and quenched spur gears with multiaxial stress properties
- Journal of Mechanical Transmission Vol. 49, Issue 9, Pages: 9-18(2025)
- 作者机构：
  
  1.郑州工商学院工学院，郑州 451400
  2.郑机所（郑州）传动科技有限公司，郑州 450001］
  3.郑州航空工业管理学院机械工程学院，郑州 450015
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：DOI：10.16578/j.issn.1004.2539.2025.09.002
  CLC：
- Received：29 November 2024，
  
  Published：15 September 2025
- 稿件说明：
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李路可，邢勇香，颜世铛，等. 渗碳淬火圆柱直齿轮多轴应力接触疲劳风险预测模型研究［J］. 机械传动，2025，49（9）：9-18.

LI Luke，XING Yongxiang，YAN Shidang，et al. Study on the contact fatigue prediction model of carburized and quenched spur gears with multiaxial stress properties［J］. Journal of Mechanical Transmission，2025，49（9）：9-18.
李路可，邢勇香，颜世铛，等. 渗碳淬火圆柱直齿轮多轴应力接触疲劳风险预测模型研究［J］. 机械传动，2025，49（9）：9-18. DOI： DOI：10.16578/j.issn.1004.2539.2025.09.002.

LI Luke，XING Yongxiang，YAN Shidang，et al. Study on the contact fatigue prediction model of carburized and quenched spur gears with multiaxial stress properties［J］. Journal of Mechanical Transmission，2025，49（9）：9-18. DOI： DOI：10.16578/j.issn.1004.2539.2025.09.002.

摘要

目的

齿轮接触疲劳失效形成机制是工业界亟待解决的重要瓶颈问题，深度表征渗碳淬火圆柱直齿轮改性层强度梯度承载能力特性与啮合接触应力应变力学响应的关联机制，是有效预测齿轮接触疲劳失效的关键方法。

方法

基于渗碳淬火圆柱直齿轮改性层梯度承载效应，建立齿轮梯度承载接触疲劳风险预测耦合数学模型；利用矩形微元显式解析解和离散数值高效计算方法，进行弹性半平面接触应力分量数学方程奇异积分接触问题求解，开展特征参数对疲劳风险失效研究。

结果

研究表明，特征参数摩擦切向载荷增量引起的应力风险域由近表面向表面迁移，表明良好润滑下裂纹易在近表面形成并扩展为点蚀失效，而润滑不良易引起表面应力增大，形成表面裂纹并优先形成微点蚀；表面硬度增量可强化材料承载参数，提升齿轮接触承载能力；残余压应力梯度增量提升了沿深度的抗剪切能力，可减缓近表层由剪切应力作用引起的撕裂型裂纹萌生；法向载荷增量易加速齿轮接触疲劳失效。预测模型与实际齿轮运转等级加载试验所表现的点蚀和微点蚀裂纹萌生机制、失效寿命特征完全吻合。

Abstract

Objective

The gear contact fatigue failure mechanism has become an important bottleneck problem to be solved in the industrial circles. A key method for the effective prediction of gear contact fatigue failure is the correlation mechanism between the strength gradient load capacity characteristics of the carburized gear modification layer and the mechanical response of the meshing contact stress-strain.

Methods

Based on the modified layer gradient bearing effect of carburized and quenched spur gears

a coupled mathematical model for the risk prediction of contact fatigue of gears with gradient loading was developed. By employing the explicit analytical solution of rectangular microelements and the discrete numerical efficient calculation method

the singular integral contact problem of the mathematical equations of elastic half-plane contact stress components was resolved. The objective was to investigate the characteristic parameters associated with the fatigue risk failure.

Results

This study demonstrates that the stress risk domain caused by the friction tangential load increment of the characteristic parameter is a consequence of near-surface-to-surface movement. This indicates that cracks may form on the near surface and extend to the pitting failure under conditions of good lubrication. In contrast

under the poor lubrication

the surface stresses may increase

resulting in the formation of cracks and extension to the micro-pitting. The material load parameters are enhanced through the application of surface hardness increments

thereby improving the load capacity of the gear contact. The shear resistance along the depth is enhanced by the gradient increment of the residual compressive stress

and the initiation rate of tear-type cracks caused by the shear stresses is slowed down at the subsurface. And gear contact fatigue failure is easily accelerated by normal load increments. The pitting and micro-pitting crack initiation mechanisms and failure life characteristics demonstrated in the predictive model is in perfect agreement with these in actual gear running class loading tests.

关键词

Keywords

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