在分析齿轮箱箱体疲劳失效之前，先简介齿轮箱箱体的材料力学属性；轮箱箱体为高强度性能的铸铝材料，轴承座等的材料为球铁，材料的基本力学性能见表4-3。
表4-3 材料基本力学性能
本书在进行齿轮箱箱体结构疲劳损伤评估时，使用国际上普遍采用的许用疲劳极限作为判据。但是，铸铝的疲劳极限参数比较复杂，跟尺寸系数有很大关联，如果结构中存在原始缺陷，如夹杂物和气孔等缺陷，将会导致疲劳强度极限大大降低。
根据BS_EN-1999-1-3[122]标准中的附录1可知：不同铸造等级铸铝件各循环次数下的疲劳应力许用范围见表4-4，铸件铸造等级的定义见表4-5。本书考虑齿轮箱箱体的铸造质量可保证最大气孔/砂眼尺寸为0.5mm，其200万次疲劳极限取为25MPa（=50MPa/2）。
表4-4 不同铸造等级铸铝件各循环次数下的疲劳许用应力范围 单位：MPa
表4-5 铸件的铸造质量（最大气孔/砂眼尺寸）与铸造等级的对应关系
注：小于0.60mm的铸件气孔/砂眼尺寸需要特殊技能、经验以及铸造工艺、技术，且小于0.60mm的铸件气孔/砂眼尺寸需要专门的设备检验，特别是当检测小于0.20mm气孔/砂眼的缺陷时，还需取决于铸件的厚度。因此，结构设计时铸件性能的取值需与铸件供应商确认。
随机振动疲劳时，需要输入材料的S-N曲线，由于齿轮箱箱体结构主要考察结构母材处材料疲劳情况，无论是钢结构还是铝结构母材都可视为特殊的焊缝型式，各焊缝的疲劳特性参考国际焊接学会（IIW）[123]进行评定，该标准是国际焊接学会关于焊接结构的疲劳推荐标准，适用于结构获得适度和中等腐蚀保护情况。(www.xing528.com)
名义应力法的基本原理是要先得到受载截面的名义应力，再结合相关材料的S-N曲线来评估焊接结构疲劳强度[124]，其计算表达式（4-2）描述如下：
式中，P和M是结构截面上的轴向力与弯矩；A和I是截面面积和惯性矩；y是距中性轴的距离。该方法的焊接结构疲劳失效评估步骤主要是：首先通过一定的方法获得名义应力谱，再确定焊接接头的S-N曲线，最后根据Miner线性叠加理论，结合名义应力谱和S-N曲线，来预测焊接结构的疲劳损伤。
由于IIW曲线支撑疲劳试验数据量大、考虑疲劳影响因素全面，因此，在铁道车辆行业优先推荐使用IIW规范对焊接结构进行疲劳强度评估[125]。IIW标准适用于材料屈服强度低于700MPa的各种焊接结构高周疲劳寿命设计。基于名义应力法评估焊接结构的疲劳强度或疲劳寿命，标准给出了14条代表各种焊接接头形式的S-N曲线[126]，如图4-19（a）所示，图中以循环次数2×106次对应的应力范围规定疲劳等级FAT。焊接结构疲劳评估可分为两种[127]。
（1）无限寿命设计：按照疲劳极限法来比较结构的名义应力范围和S-N曲线给定应力循环下的许用名义应力范围。
（2）有限寿命设计法：基于Miner疲劳累积损伤理论，通过雨流计数法来得到焊接结构的疲劳损伤值。
铝结构母材和钢结构母材的S-N曲线如图4-19所示，它们的置信度均为75%，存活率均为95%，疲劳强度特性如表 4-6所示[123]。
表4-6 95%存活率下铝和钢焊缝的疲劳强度（2×106循环）
图4-19 抗疲劳S-N曲线
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