Study on quenching deformation of large heavy-duty gears based on thermal-fluid-solid coupling simulation

PEI Bang; ZHANG Haibo; CHEN Shengchao; ZHANG Jianwei; YU Feipeng; WEI Chaozhang; SHI Lubing

doi:10.16579/j.issn.1001.9669.2026.05.012

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Study on quenching deformation of large heavy-duty gears based on thermal-fluid-solid coupling simulation

·Fatigue·Damage·Fracture·Failure Analysis· | 更新时间：2026-05-19

- Study on quenching deformation of large heavy-duty gears based on thermal-fluid-solid coupling simulation
- Journal of Mechanical Strength Vol. 48, Issue 5, Pages: 97-104(2026)
- 作者机构：
  
  1.郑机所（郑州）传动科技有限公司，郑州 450001］
  2.中国机械总院集团郑州机械研究所有限公司，郑州 450001
  3.郑州大学力学与安全工程学院，郑州 450001
- 作者简介：
  
  YU Feipeng, E-mail: 280201617@qq.com
- 基金信息：
  
  National Key Research and Development Program(2023YFB3406202)
- DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2026.05.012
  CLC： TG151
- Received：18 November 2025，
  
  Published：15 May 2026
- 稿件说明：
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裴帮，张海博，陈生超，等. 基于热流固耦合仿真的大型重载齿轮淬火变形的研究［J］. 机械强度，2026，48（5）：97-104.

PEI Bang，ZHANG Haibo，CHEN Shengchao，et al. Study on quenching deformation of large heavy-duty gears based on thermal-fluid-solid coupling simulation［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（5）：97-104.
裴帮，张海博，陈生超，等. 基于热流固耦合仿真的大型重载齿轮淬火变形的研究［J］. 机械强度，2026，48（5）：97-104. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.05.012.

PEI Bang，ZHANG Haibo，CHEN Shengchao，et al. Study on quenching deformation of large heavy-duty gears based on thermal-fluid-solid coupling simulation［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（5）：97-104. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.05.012.

摘要

目的

针对大型重载齿轮淬火过程中冷却不均、畸变严重及易产生热应力裂纹等问题，探究搅拌转速与工装位置对淬火效果的影响规律，以提升齿轮热处理质量。

方法

首先，采用42CrMo钢大型齿轮为对象，构建了热流固耦合仿真模型；然后，利用动网格预计算了等效入口速度，系统分析了400、500、580 r/min三种螺旋桨转速以及6件串装工装下不同位置齿轮的介质流场、温度场及变形量分布。

结果

结果表明，提高搅拌转速可显著增强对流换热，使轮齿流速提升至0.605 m/s，最大变形量由0.54 mm降至0.42 mm（降低22.2%）；工装底部与顶部齿轮因流场紊流度高，其冷却均匀性与变形控制优于中间位置；建议类似工况下螺旋桨转速控制在500~550 r/min，并优化工装间距以消除端面流动死区。

Abstract

Objective

This study investigates the influence of stirring rotational speed and fixture position on quenching outcomes in the context of large heavy-duty gear quenching processes

which are characterized by uneven cooling

severe distortion

and susceptibility to thermal stress cracking

with the aim of improving gear heat treatment quality.

Methods

Firstly

a thermo-fluid-solid coupling simulation model was established for 42CrMo large gears. Then

the medium flow field

temperature field

and deformation distribution under three propeller speeds (400

500

and 580 r/min) and six-piece series tooling positions were analyzed. The inlet velocities were equivalent to 0.9

1.2

and 1.5 m/s based on user-defined function (UDF) and dynamic mesh pre-calculations.

Results

The results indicate that increasing the stirring speed from 400 to 580 r/min significantly improves cooling uniformity

with the maximum flow velocity at the gear teeth reaching 0.605 m/s and the maximum deformation decreasing from 0.54 mm to 0.42 mm (a reduction of 22.2%). However

excessively high speeds may increase the temperature difference between the core and the surface (up to 516 ℃)

potentially inducing thermal stress cracks. Gears at the top and bottom of the tooling exhibit better cooling performance than those in the middle due to higher turbulence and proximity to the medium inlet. It is recommended that the optimal stirring speed be maintained between 500 and 550 r/min to balance deformation control and crack prevention.

关键词

Keywords

references

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