齒輪軸過盈配合對軸肩微動磨損的影響研究

賈國海　龔金科　鄂加強　蔡皓　王曙輝　余明果

摘要：針對某動力總成齒輪軸軸肩在工作過程中發生嚴重微動磨損的現象，利用有限元軟件ABAQUS建立了齒輪軸軸肩微動磨損仿真模型.通過對齒輪軸與軸承之間過盈配合的計算分析，得到齒輪軸過盈配合所需的最小過盈量，在此基礎上對軸肩所受的微動磨損進行仿真分析，研究過盈配合對軸肩微動磨損的影響.通過分析在不同過盈配合下軸肩接觸應力和軸肩變形量對微動磨損的影響表明：增大過盈量，軸承內圈與軸肩接觸應力相應增大，軸承與軸肩接觸面的相對變形量（即位移幅值）隨之增大，軸肩微動磨損亦相應增大.因此，齒輪軸與軸承之間適當的過盈配合既可以保證靜止狀態下齒輪軸材料不出現塑性變形，又能使齒輪軸轉動時有足夠的接觸壓力傳遞有效轉矩，可以有效地減緩齒輪軸軸肩處的微動磨損.

關鍵詞：齒輪軸；微動磨損；過盈配合；位移幅值；ABAQUS

中圖分類號：TH131.7 文獻標識碼：A

本文針對某動力齒輪軸軸肩出現嚴重微動磨損的現象，建立了齒輪軸軸肩微動磨損有限元仿真模型，分析在齒輪軸與軸肩過盈配合下軸肩作用力、位移幅值和微動磨損量的變化情況，為探究減緩微動磨損的措施提供參考依據.

1 研究對象描述

齒輪軸作為傳遞動力的最主要的機構之一，主要承受來自齒輪軸齒輪端的交變載荷來傳遞動力.在傳遞動力的過程中，在軸承內圈與軸肩接觸處（圖1中橢圓所示），由于受到微小振動，使齒輪軸軸肩受到比較嚴重的微動磨損.

由于微動磨損發生在干燥環境中，因此，對微動磨損起主要作用的是粘著磨損、磨粒磨損和疲勞磨損.疲勞主要是因為軸承和軸肩所受的力為方向不變、大小周期性改變的交變載荷，且隨著表面間的往復作用，會產生表面疲勞裂紋加劇磨損.微動磨損會引起材料損失、表面形貌變化、表面或亞表面塑性變形或出現裂紋等現象.

2 齒輪軸過盈配合計算分析

當齒輪軸與軸承過盈配合時，會在配合表面產生正壓力，使軸承的內外徑擴張，齒輪軸的內外徑壓縮.齒輪軸與軸承的配合可以簡化為兩個厚壁圓柱套筒的過盈配合.齒輪軸與軸承間過盈量的大小，不僅與配合面的傳動能力密切相關，而且還受齒輪軸運動狀態的影響.在低速狀態下，離心力的影響可以忽略不計；而對于高速轉動，離心力則是影響齒輪軸與軸承配合的關鍵因素.因此，齒輪軸與軸承之間過盈配合不僅應滿足靜態傳遞能力的要求，而且要考慮動態特性的影響.齒輪軸與軸承之間過盈配合受力情況如圖2所示.

5齒輪軸軸肩微動磨損數值仿真分析

由以上分析可知，齒輪軸軸肩的接觸應力、位移幅值對此處的微動磨損有重要的影響.而齒輪軸與軸承的過盈配合對齒輪軸軸肩處的接觸應力、位移幅值也有很大的影響，因此，為了得到齒輪軸軸肩微動磨損與齒輪軸軸肩接觸應力、位移幅值以及齒輪軸與軸承之間過盈量的變化關系，本文在齒輪軸與軸承之間不同的過盈配合下對齒輪軸軸肩微動磨損進行了仿真計算分析.

6 結論

1）通過對齒輪軸過盈配合進行計算分析，得到齒輪軸運轉過程中，其靜態過盈量是動態過盈量的近65倍，從而得出齒輪軸過盈量主要應由靜態過盈量確定，并在此基礎上得到齒輪軸高速轉動過程中所需的最小過盈量以及合適的過盈配合.

2）齒輪軸軸肩接觸應力隨著軸肩高度的升高而增大，其中，齒輪軸軸肩最外節點接觸應力變化最大；在齒輪軸軸肩的每個節點，軸肩接觸應力隨著過盈量的增大而增大，從而可知齒輪軸軸肩的微動磨損很大程度上受到接觸應力的影響.

3）齒輪軸過盈配合對軸肩部位變形量的影響相同：軸向、徑向相對變形量都會隨著過盈量的增大而增大，其中，徑向方向變化較為明顯，從而可知齒輪軸軸肩徑向位移幅值對軸肩的微動磨損影響較大.

4）齒輪軸軸肩微動磨損量從軸肩根部至頂部逐漸增大；齒輪軸軸肩每個節點的微動磨損量也隨著過盈量的增大而增大.適當減小過盈量，接觸面接觸應力和相對位移幅值都相應減小，軸肩微動磨損量也會相應減小.

5）在綜合考慮齒輪軸材料的屈服強度極限和疲勞強度極限的基礎上，考慮一定的安全裕度，將齒輪軸與軸承選擇一個適當的過盈配合，不僅能保證一定的連接強度，還可以有效減緩齒輪軸軸肩微動磨損.

參考文獻

[1]周仲榮. 關于微動磨損與微動疲勞的研究J]. 中國機械工程， 2000， 11（10）： 1146-1150.

ZHOU Zhongrong. On fretting wear and fretting fatigueJ]. China Mechanical Engineering， 2000， 11（10）： 1146-1150. （In Chinese）

[2]鄭健峰， 羅軍， 彭金方， 等. LZ50車軸鋼微動磨損特性研究J]. 鐵道學報， 2010， 32（4）： 33-37.

ZHENG Jianfeng， LUO Jun， PENG Jinfang， et al. Characteristics of fretting wear of LZ50 steelJ]. Journal of the China Railway Society， 2010， 32（4）： 33-37. （In Chinese）

[3]蔡振兵， 朱旻昊， 張強， 等. 鋼鋼接觸的扭動微動磨損氧化行為研究J]. 西安交通大學學報， 2009， 43（9）： 86-90.

CAI Zhenbing， ZHU Minhao， ZHANG Qiang， et al. Oxidation behaviors of steeltosteel contact under torsional fretting wearJ]. Journal of Xian Jiaotong University， 2009， 43（9）： 86-90. （In Chinese）

[4]B. 布尚. 葛世榮. 摩擦學導論[M]. 北京： 機械工業出版社， 2006：183-190.

BHUSHAN B， GE Shirong. Introduction to tribology[M]. Beijing： China Machine Press， 2006： 183-190. （In Chinese）

[5]ROBERT E. Another perspective： false brinelling and fretting corrosionJ]. Tribology & Lubrication Technology， 2004， 60（12）： 34-37.

[6]ZHANG D K， GE S R， XIONG D S. Fretting wear of steel wires in hoisting ropesJ]. Journal of University of Science and Technology Beijing， 2002， 9（4）： 81-84.

[7]ZHANG X H， LIU D X. Effect of shot peening on fretting fatigue of Ti811 alloy at elevated temperature J]. International Journal of Fatigue， 2009， 31 （5）： 889-893.

[8]MAJZOOBI G H， NEMATI J， NOVIN ROOZ A J， et al. Modification of fretting fatigue behavior of Al7075T6 alloy by the application of titanium coating using IBED technique and shot peening J]. Tribology International， 2009， 42（1）： 121-129.

[9]RATSIMBA C H H， MCCOLL I R， WILLIAMS E J， et al. Measurement， analysis and prediction of fretting wear damage in a representative aeroengine spline couplingJ]. Wear， 2004， 257： 1193-1206.

[10]楊廣雪， 謝基龍， 李強， 等. 過盈配合微動損傷的關鍵參數J]. 機械工程學報， 2010， 46（16）： 53-59.

YANG Guangxue， XIE Jilong， LI Qiang， et al. Key parameters of fretting damage under shrink fitJ]. Journal of Mechanical Engineering， 2010， 46（16）： 53-59. （In Chinese）

[11]楊廣雪， 謝基龍， 周素霞， 等. 車軸設計參數對軸轂配合接觸壓力影響的研究J]. 鐵道學報， 2009， 31（3）： 31-35.

YANG Guangxue， XIE Jilong， ZHOU Suxia， et al. Research on the influence of axle design parameters on contact pressure between axle and hubJ]. Journal of the China Railway Society ， 2009， 31（3）： 31-35. （In Chinese）

[12]YU J， CAI Z B， ZHU M H， et al. Study on torsional fretting behavior of UHMWPEJ]. Applied Surface Science， 2008， 225（2）： 616-618.

[13]TRUMAN C E， BOOKER J D. Analysis of a shrinkfit failure on a gear hub/shaft assemblyJ]. Engineering Failure Analysis，2007， 14（4）： 557-572.

[14]濮良貴， 紀名剛. 機械設計[M]. 北京： 機械工業出版社， 2006：183-190.

PU Lianggui， JI Minggang. Design of machinery[M]. Beijing：China Machine Press， 2006： 183-190 . （In Chinese）

[15]石亦平， 周玉蓉. ABAQUS有限元分析實例詳解M]. 北京： 機械工業出版社， 2006.