Research on a risk prediction model of gear tooth flank fracture based on multiaxial stress fatigue criterion

WANG Xiaopeng; YU Zhilong; YU Feipeng; YANG Shuai; CAO Zhigang; LIU Zhongming; WAN Shaoxiong

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Research on a risk prediction model of gear tooth flank fracture based on multiaxial stress fatigue criterion

更新时间：2026-01-16

- Research on a risk prediction model of gear tooth flank fracture based on multiaxial stress fatigue criterion
- Journal of Mechanical Transmission Pages: 1-10(2026)
- 作者机构：
  
  1.郑州航空工业管理学院机械工程学院，郑州 450046
  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：
  CLC： TH132.41
- Received：14 July 2025，
  
  Revised：2025-09-21，
  
  Published Online：16 January 2026，
- 稿件说明：
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王晓鹏，于智龙，余飞鹏，等.基于多轴应力疲劳的齿轮齿面断裂风险预估模型研究［J］.机械传动，XXXX，XX（XX）：1-9.

WANG Xiaopeng，YU Zhilong，YU Feipeng，et al.Research on a risk prediction model of gear tooth flank fracture based on multiaxial stress fatigue criterion［J］.Journal of Mechanical Transmission，XXXX，XX（XX）：1-9.
王晓鹏，于智龙，余飞鹏，等.基于多轴应力疲劳的齿轮齿面断裂风险预估模型研究［J］.机械传动，XXXX，XX（XX）：1-9. DOI：

WANG Xiaopeng，YU Zhilong，YU Feipeng，et al.Research on a risk prediction model of gear tooth flank fracture based on multiaxial stress fatigue criterion［J］.Journal of Mechanical Transmission，XXXX，XX（XX）：1-9. DOI：

摘要

目的

齿面断裂是齿内深部位置处因材料损伤萌生裂纹的高周/超高周疲劳损伤的接触疲劳失效模式。拟根据多轴应力评定方法构建轮齿内场齿面断裂风险阈值的计算方法。

方法

基于接触理论、齿轮啮合几何理论及弹性力学基本理论，建立齿轮副等效接触内场多轴应力解析计算模型，形成齿轮梯度承载接触疲劳风险预测耦合数学模型；利用微元离散数值计算方法进行基于弹性半平面接触应力分量奇异积分的接触问题的求解，并开展基于多轴应力评定方法的轮齿内场齿面断裂风险阈值的研究。

结果

结果表明，在多轴应力场下，轮齿内部硬化层与芯部之间的风险阈值最高，该处容易萌生裂纹并发生齿面断裂破坏。利用本文模型与利用ISO 6336-4技术规范得到的风险阈值较为接近，且试验齿轮的断齿位置与利用提出的模型计算的风险区域基本一致，表明提出的模型可以作为抗齿面断裂的齿轮的初期设计的参考，可以作为除按照齿面断裂技术规范进行评估以外的齿面断裂风险评估的方法。提出的基于多轴应力疲劳的齿面断裂风险预估模型为齿轮传动工程装备的设计、制造提供了参考。

Abstract

Objective

Tooth flank fracture is a contact fatigue failure mode of high-cycle/ultra-high-cycle fatigue damage where cracks initiate due to material damage at deep locations inside the tooth. It is proposed to establish a calculation method for the risk threshold of tooth flank fracture in the gear tooth interior based on the multiaxial stress evaluation approach.

Methods

Based on contact theory

gear meshing geometry theory and the fundamental theories of elasticity

a parsing model for the equivalent contact internal-field multiaxial stress of gear pairs was established

and a coupled mathematical model for gradient-bearing contact fatigue risk prediction of gears was formulated. The micro-element discretization numerical method was adopted to solve contact problems involving singular integrals of contact stress components for the elastic half-plane. In addition

research on the risk threshold of tooth flack fracture in the gear tooth interior was conducted based on the multiaxial stress evaluation method.

Results

The results indicate that under the multiaxial stress field

the risk threshold is the highest in the zone between the hardened layer and the core inside the gear tooth

where cracks are prone to initiate and the tooth flank fracture failure is prone to occur. The risk threshold obtained by the proposed model is relatively close to that derived from ISO 6336-4 technical specifications. Moreover

the fracture position of the test gear is basically consistent with the risk area calculated by the proposed model. These findings demonstrate that the proposed model can serve as a reference for the preliminary design of gears resistant to tooth surface fracture

and can be used as a tooth flank fracture risk assessment method supplementary to existing technical specifications. The established tooth flank fracture risk prediction model based on multiaxial stress fatigue provides a reference for the design and manufacturing of the gear transmission engineering equipment.

关键词

Keywords

references

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