重载齿轮是大型机械装置(推土机、挖掘机、装甲车等)传动系统的核心部件,它的主要功能是按照规定的转速比传递运动和转矩。在重载齿轮疲劳性能研究中,相对于接触疲劳产生的齿面点蚀、胶合、磨损等微小破坏而引起齿轮传动效率降低,啮合不到位等现象;弯曲疲劳则会直接导致齿根产生裂纹甚至形成断齿现象,造成重大事故。而在工程结构和机械设备使用过程中,齿轮要承受大量的循环往复交变载荷,使得弯曲疲劳失效现象极为普遍,这就对零件的抗疲劳性能提出了很高的要求。重载齿轮的弯曲疲劳性能主要与表面缺陷和内部缺陷,如表面的划痕、凹坑、夹杂物;表层的孔洞、微小裂纹、夹杂物等。为了改善重载齿轮的弯曲疲劳性能,提高弯曲疲劳寿命,就需要从齿轮的原始钢材出发,从原材料的角度准确测试出重载齿轮的弯曲疲劳寿命,分析弯曲疲劳性能,进而改良齿轮钢材、优化制造工艺。基于此,本文从重载齿轮钢材的材料特征出发,以钢材中夹杂物的形貌特征、力学性能以及与基体之间的相互作用作为出发点,探究夹杂物的特性对重载齿轮零件的弯曲疲劳性能影响,并设计一台高精度重载齿轮弯曲疲劳试验机进行疲劳寿命测试,以期从微观角度分析钢材失效的原理,主要取得以下三点研究成果。(1)定量统计两种工艺制出钢材的非金属夹杂物的形貌特征与空间分布,对主要夹杂物的硬度及弹性模量进行测量,测得了两种钢材的三点弯曲疲劳性能。并根据Murakami模型进行数学拟合,提出一套与夹杂物自身硬度及弹性模型相关的半定量经验公式(其表达式在3.5节中出现),以预测重载齿轮钢材的疲劳寿命。模型可以根据夹杂物性能预测出重载齿轮的弯曲疲劳寿命,拟合效果良好。(2)根据国标要求,结合实验室现有条件,对根据齿根应力进行等效计算,选取三种符合试验条件的应力水平;测试出以20Cr2Ni4A牌号钢制成的重载齿轮的弯曲疲劳性能,并根据Basquin方程拟合疲劳寿命数据得出S-N曲线,给出重载齿轮的疲劳寿命,分析微观断口,发现非金属夹杂物在弯曲疲劳过程中仍是主要裂纹源,并直接影响弯曲疲劳性能,测试零件表面残余应力分析齿轮弯曲疲劳裂纹的萌生扩展机理,对齿轮的疲劳性能做出准确评定。(3)通过前期试验调研和国内外文献阅读,设计了一台新型重载传动齿轮弯曲疲劳试验机,该实验机拥有单齿加载试验机的高频快速的优点与啮合式加载试验机受力均匀的特点,可以更加准确高效的测试出重载齿轮弯曲疲劳寿命。突出的三个优点是:第一可以进行啮合式加载,更贴合齿轮实际服役形式;第二可以进行变角度加载,全方位进行齿轮寿命检测;第三可以进行加载应力调节,满足重载齿轮所需的加载应力范围。本文针对传动系统的关键零件—重载传动齿轮进行研究,以夹杂物对重载齿轮的弯曲疲劳机制研究作为重点,为我国新一代高性能重载传动齿轮的研制和陆军机动平台功率密度的提升提供基础数据和技术支持。