齿轮接触疲劳失效机理

齿轮接触疲劳失效是滑滚接触附近的材料在足够周次的循环接触应力应变作用下，逐渐形成裂纹并发生断裂的过程。学术界将齿轮接触疲劳统归为滚动接触疲劳(Rolling contact fatigue, RCF)。RCF 与拉压疲劳、弯曲疲劳、旋转弯曲疲劳、扭转疲劳等疲劳问题存在显著的差异：① RCF 体现为多轴疲劳机理，而经典拉压循环疲劳等为单轴疲劳问题；② RCF次表面材料点的应力历程呈非比例，即正应力分量与剪应力分量并非以同一趋势变化，且其峰值不同时出现[37]；③ 非协调性接触中存在不可忽视的水静应力分量，而传统拉压或弯曲疲劳中不存在水静应力分量；④ 非协调性接触的应力循环中主应力与最大剪应力方向时变，不易辨识出现最大疲劳损伤的平面；⑤ RCF 发生在一个非常局部的受力区域，通常的接触宽度为 200～2000 μm，该宽度与接触半径和法向载荷有关。

RCF 的基本过程为疲劳裂纹萌生、扩展和迅速断裂。通常来讲 RCF 总寿命由裂纹萌生寿命与裂纹扩展寿命组成，断裂过程非常迅速，在整个疲劳寿命中所占比例极小，而裂纹萌生和扩展分别占据的寿命比例、以及裂纹萌生和扩展的界定至今没有定论。广泛的研究表明齿轮接触疲劳性能受到载荷、转速、温度、润滑等外部工况要素、屈服强度、残余应力、非金属夹杂等材料要素以及齿轮几何、齿面粗糙度等结构要素共同影响，可统称为影响齿轮接触疲劳的结构—工况—材料要素体系。

结构要素方面，宏微观结构因素共同决定齿面上的载荷分布以及齿面摩擦力。由啮合原理、装配空间等确定的齿轮宏观几何参数直接决定齿轮副的接触曲率半径、滑滚速度等。修形与齿面粗糙度等微观几何因素改变局部接触条件，也显著改变接触状态与应力分布[38-39]；工况要素方面，准确把握载荷历程特征是实现传动系统及零部件寿命预测的重要前提。传动系统及零部件的载荷大小、循环次数和载荷顺序具有显著时变特性，并通过影响油膜厚度、齿面摩擦及法向动载荷等继而影响接触行为和疲劳寿命^[40]。在航空、汽车、风电等装备设计中常采用具有统计特性的载荷谱形式描述零件所承受载荷历程特征^[41-42]；材料要素方面，硬化特征、残余应力、微结构特征、夹杂等均对接触疲劳寿命有显著影响。以上这些因素共同决定了齿轮接触疲劳强度，任一环节的疏忽都可能导致重载下齿轮早期接触疲劳失效。总体而言，在整个结构—工况—材料要素体系中，目前对于结构和载荷要素的认识相对成熟，对于形貌-润滑耦合界面要素、残余应力-硬化层-材料缺陷耦合的材料要素等的影响认识相对不足，对表面完整性认识的不充分与抗疲劳设计制造要求之间形成显著的亟待解决的矛盾。