动力系统的机械设计人员面临着提高功率密度和延长系统寿命的压力。Elias Löthman，钢铁制造商Ovako的应用工程师，解释了为什么洁净钢具有实现这一目标的潜力，以及工程师如何使用先进的软件来评估设计影响。
在齿轮、轴承和轴等高循环应用中，钢材疲劳是限制因素之一。在这种情况下，高应力构件最终会产生微观裂纹，这些裂纹在每次旋转过程中会缓慢扩展，最终导致疲劳破坏。
良好的设计可以降低构件关键区域的峰值应力，这些区域是传统的裂纹萌生点。然而，这只是解决方案的一部分。夹杂物也会引起疲劳，夹杂物是存在于所有类型钢中的微观非金属颗粒。
在负载的动力总成组件中，这些缺陷将增加材料内部微观区域的应力。随着时间的推移，在多次载荷循环下，这些小区域会产生小裂缝，最终扩展并导致失效。
这些夹杂物本身是常识，许多设计指南都考虑到它们，尽管去除有害夹杂物和减小其尺寸的效果并不为人所知。
这就是为什么钢铁制造商Ovako最近与之合作的原因GWJ技术．两家公司希望确定一种方法，在设计阶段评估钢材性能对实际动力总成部件的影响。这包括对钢类型的评估，特别是清洁钢，这可以对组件和整体系统性能产生积极影响。
良好的设计可以降低构件关键区域的峰值应力，这些区域是传统的裂纹萌生点。
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集成清洁钢性能到齿轮设计软件
动力总成的设计很复杂。工程师们面临着许多迭代计算的挑战，以设计优化齿轮，并将其与系统的其余部分集成。任何微小的变化都可能对负载传递到齿轮和轴上的方式产生影响，并影响动力系统的寿命和性能。
要改变钢等级或切换到当前钢等级的更高性能版本，需要进行大量的测试和验证，然后才能了解可以在系统中增加多少扭矩，或者可以使组件变得多小。这通常是在专门的测试平台上完成的，性能并不总是容易转化为您自己的设计。并不是所有的原始设备制造商都有能力或资源这样做，即使他们热衷于评估清洁钢铁的潜力。
因此，软件供应商GWJ认识到工程师有机会更好地了解如何提高动力系统性能，并将两种清洁钢纳入其齿轮设计软件，即eAssistant、TBK和GeearEngineer。因此，机械设计工程师现在能够将高性能洁净钢与标准材料进行比较。
该软件涵盖多种类型的齿轮、轴承和轴，可用于设计任何东西，从医疗设备中的微小部件到多兆瓦风力涡轮机中的整个齿轮箱。这些包可以与3D CAD包接口，生成代码，在多轴加工中心上生产组件。
该软件中的算法基于齿轮设计的工程方程，涵盖不同类型的齿轮、机械设计、材料科学、CAD和机械加工，以及变速箱和动力传动系统设计的相关国际标准和设计指南。
Ovako最近实施了159X (BQ-Steel)和159Q (IQ-Steel)）该软件内置了许多材料，洁净钢是其中两种。就其化学成分而言，两者都与DIN 18CrNiMo7-6的表面硬化钢等级相同。显著差异是接触疲劳强度和弯曲疲劳强度增加。
18CrNiMo7-6钢与159Q钢的比较。
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比较成本和性能
在采购材料时，很容易关注每公斤的成本或其他易于测量的值。正如你所期望的高性能材料一样，干净的钢每公斤的价格略高。然而，由于其较高的疲劳强度，它可以在整个寿命中承受显著较高的应力。如果你比较每兆帕斯卡(MPa)的成本，或者更有趣的，每牛顿-米(Nm)系统的总成本，真正的好处开始显现。
通过优化设计和材料性能，组件层面的总成本将接近或更低，如果考虑整个系统，则成本甚至更高。因此，您将在系统中使用更少的材料，获得更高的功率密度。
洁净钢
清洁钢是在严格控制的条件下生产的，这种条件限制了有害夹杂物的大小和数量。它们具有与标准钢相同的化学成分和屈服强度，但具有明显更高的疲劳强度。
原始设备制造商可以利用清洁钢的更高疲劳强度来改造他们的系统，这在以前是不可能的。无论目标是延长寿命，减小尺寸，提高效率，还是三者的结合。材料性能可以通过不同的方式提高功率密度。
有不同类型的清洁钢名称，不幸的是，一些不太清洁的钢仍然在市场上销售。从标准钢到超清洁钢的无缝过渡，使得很难根据特定的设计目标来定义您需要在哪里。
清洁钢是在严格控制的条件下生产的，这种条件限制了有害夹杂物的大小和数量。
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为了便于选择，Ovako在梯子上设置了两层。bq钢(轴承质量)是一种清洁钢，使轴承的清洁性能达到表面硬化等级，从而在接触疲劳强度和弯曲疲劳强度方面显著提高疲劳强度。
然而，iq -钢(各向同性质量)在两种类型的疲劳强度中都有较大的阶跃变化。它是在钢厂严格控制的条件下生产的，以确保夹杂物小而呈球形。球形形状意味着无论应力方向如何，钢都能提供相同的高性能，从而产生各向同性性能。
这种改善的疲劳性能为动力系统提供了新的设计机会。
不断发展的标准规范
有几个原因可以解释为什么标准钢仍然在动力系统的旋转部件中占主导地位。首先，模拟和生产技术的进步本身就提高了功率密度。其次，后处理技术的进步，如喷丸强化，进一步提高了功率密度。材料性能可以单独或与后期流程结合提供进一步的杠杆作用。
钢清洁在标准和材料规范中往往没有以相关的方式包含，因此其作用往往被忽视。原始设备制造商在开发新系统时使用这些文档，并通常集成到“允许材料”的内部材料库中。
然而，除非定期审查，否则这些文件可能无法反映现代炼钢技术和可用材料的性能。奥瓦科发现，一些公司一直在按照标准程序工作，这些程序是基于20世纪30年代建立的允许压力水平。
随着时间的推移，冶金技术已经取得了重大发展，原始设备制造商如果没有将材料库保持到今天的标准，可能会失去竞争优势。
物理测试
理论计算是有用的，但工程师们需要实际的证明。虽然计算可以很好地了解材料的能力，但仍有一些步骤需要进一步验证和确定。
Ovako目前正在对由不同级别的清洁钢制成的齿轮进行弯曲疲劳性能的额外测试，并比较不同制造和后期工艺的影响。目标是帮助找到最具成本效益的材料清洁、制造方法和后处理的组合。
与此同时，多年来，Ovako一直与亚琛工业大学的WZL和慕尼黑工业大学的FZG等机构合作，进一步了解清洁钢在动力总成部件中的全部潜力。
整车厂可以利用清洁钢更高的疲劳强度来改变他们的系统设计。
Ovako
洁净钢等冶金技术的发展凸显了原始设备制造商每隔几年审查其批准材料清单的重要性，以使他们能够利用现有材料性能的不断改进。
本文由Ovako，是一家为轴承、运输和制造业客户提供工程钢的欧洲制造商。
