重型變速箱齒輪打滑掉載問題分析研究

鄧林亮

（東風商用車有限公司 ，十堰 442001）

前言

東風14檔重型變速箱為東風商用車公司首次開發的重型變速箱產品，該變速箱開發首次大量采用國際先進的產品和制造技術，其中包括變速箱中間軸總成產品結構及制造技術，開發過程中出現一些問題，經過項目組共同研究、對策及試驗驗證，最終圓滿解決問題，保證了項目順利投產，積累了重要的產品開發、制造經驗。

1 東風14檔重型變速箱中間軸總成產品結構、工作原理

東風14檔重型變速箱主要由前中后三個殼體、一軸總成、中間軸總成、二軸總成、后副箱總成等構成（附圖變速箱總成示意圖），力矩傳遞路線為：發動機通過一軸上外花鍵將動力傳遞給一軸總成，然后通過齒輪嚙合將動力傳遞到中間軸總成，中間軸總成再通過齒輪嚙合將動力傳遞到二軸總成，二軸總成通過太陽輪將動力傳遞到副箱輸出軸，副箱輸出軸通過突緣端面齒將動力輸出傳遞到整車的傳動軸。

在力矩的傳遞過程中，中間軸上的四檔齒輪及常嚙合齒輪與中間軸是通過齒輪內孔與軸頸的過盈配合連接，檔該兩個齒輪工作時，則是通過過盈量齒輪對軸頸形成抱緊力，隨即形成內孔表面與軸頸表面摩擦力，實現力矩傳遞；

中間軸及兩個齒輪裝配局部簡圖如圖1、圖2：

軸頸與齒輪配合表面技術要求：滲碳淬火HRC58-63，表面粗糙度0.8。

2 中間軸、齒輪零件制造及總成裝配工藝

與傳遞力矩相關的零件及部位為中間軸的兩個軸頸d1、d2，精度等級u6，表面粗糙度為0.8；四檔齒輪、常嚙合齒輪兩個齒輪零件的內孔D1、D2。精度等級H7，表面粗糙度0.8，表面滲碳淬火HRC58-63。

軸頸熱處理后的精加工工藝為外圓磨削完成，齒輪內孔熱處理后的精加工工藝為硬車完成。

孔與軸頸的過盈量為0.085-0.134，為了裝配方便，采用對齒輪進行加熱，使其熱膨脹到與軸頸為小間隙時進行裝配，通過工藝試驗確定加熱溫度及加熱時間，固化工藝參數。

表1

3 變速箱總成試驗齒輪打滑掉載故障情況

在PT樣箱進行TES評審臺架試驗時，多個檔位出現負載加上去隨即即掉下來的情況，具體情況見附表1：

經過對兩個齒輪在中間軸上的位置進行標記，運轉后進行檢查，發現兩個齒輪均在軸上產生了軸向轉動即出現打滑現象，因為打滑造成掉載故障出現。

4 打滑掉載影響因素分析及試驗驗證

4.1 傳遞力矩大小簡易公式如下：

合并總體簡化經驗公式為

式中：M為產品設計結構能夠傳遞的力矩；F為軸頸外圓與齒輪內孔表面摩擦力；D為軸頸直徑；N為齒輪對軸頸的抱緊壓力；L為軸頸與內孔接觸區域的總長度；δ 為軸頸與內孔的過盈量；μ為孔與軸表面摩擦系數；G 齒輪結構剛性；X 為材料強度性能等。

當傳遞力矩的能力M值小于實際負載力矩時，將出現齒輪打滑掉載現象。必須要保證足夠的力矩M值，才能滿足變速箱力矩傳遞功能需求。

從公式（1）分析，影響M 值的因素為軸頸外圓與齒輪內孔表面摩擦力F及軸頸直徑D，當兩者增加時，M 值將增加；

從公式（2）分析，影響摩擦力F值的因素為齒輪對軸頸的抱緊壓力N、軸頸與內孔接觸區域的總長度L、軸頸直徑D及摩擦系數μ，當四個參數增大時，摩擦力F 將增大；

從公式（3）分析，齒輪對軸頸的抱緊壓力N的影響因素為為軸頸與內孔的過盈量δ、齒輪結構剛性G及材料強度性能X，三者增大時，抱緊力N 將增大。

由于受變速箱結構及空間位置所限制，參數L、 D是不能增大的，由于材料也基本固定不變，因而X也視為常量。因此主要變量參數是：過盈量δ、齒輪結構剛性G、摩擦系數μ。

4.2 軸頸與內孔的過盈量δ影響分析及試驗驗證

中間軸軸頸與齒輪內孔過盈量是影響抱緊力的最主要的變量因素之一，增大過盈量，由于軸的剛性大大高于齒輪，從而軸頸向施加徑向支撐力，增加內孔膨脹變形，而齒輪內壁對軸頸施加反作用力也即對軸頸的抱緊壓力， 受到軸向扭矩負載時，兩個便面之間產生更大的摩擦力，從而最終增加力矩傳遞能力。產品設計圖紙上給定了的過盈量為0.085-0.134，公差范圍，但當過盈量處于下限時，TES評審試驗中出現齒輪在軸上的打滑導致掉載故障出現。

4.2.1 不同過盈量試驗驗證

過盈量過小會造成打滑現象，過盈量過大將內應力過大，造成裝配困難，甚至可能齒輪變形過大，影響齒輪尺寸精度，為了選擇合適的過盈量，確定了不同過盈量試驗驗證方案。具體方案及及結果見附表2：

表2 中間軸軸頸與齒輪不同過盈量試驗

試驗結果顯示：0.12以上過盈量均不產生打滑掉載現象，0.17過盈量對齒輪精度無影響。根據試驗結果選擇0.125-0.174過盈量范圍。保證在最小過盈量下不出現打滑掉載。

4.2.2 工作條件下油溫對軸頸與齒輪配合過盈量的影響分析及驗證

在試驗中及用戶使用中，由于油溫升高，約120 ℃-150 ℃，而齒輪的內孔尺寸膨脹與軸頸尺寸膨脹變形不一致，導致在常溫下的過盈量與工作條件下的過盈量發生變化，可能會使過盈量大大變小，從而導致打滑掉載，由于難以理論計算出熱膨脹變形數據，通過工藝試驗方法獲取數據，分別對軸和齒輪零件測量出加熱前的尺寸數據，然后對零件進行加熱保溫，測量加熱后的軸孔尺寸，分析軸和孔高溫下的過盈量變化，試驗數據見下表3：

試驗結果表明在100 ℃-150 ℃工作溫度下過盈量會少量的減小，計算過盈量時要考慮0.01-0.02的減小量。

4.3 軸頸外圓與齒輪內孔表面摩擦系數μ影響分析及驗證

齒輪內孔表面與軸頸表面摩擦系數是影響摩擦力的主要因素之一，摩擦系數增大或減小時，在抱緊力不變的情況下，摩擦力將隨之增大或減小，從而導致傳遞力矩增大或減小。摩擦系數的大小主要由相互接觸的零件材料決定，但一些外部其他因素可能會對摩擦系數產生影響

4.3.1 表面微觀質量對摩擦系數的影響分析及驗證

從微觀表面上分析，磨削出來的表面與車削出來的粗糙度相同的表面，微觀紋理也有差異，車削出來的表面相對磨削出來的表面，因為車刀與磨削砂輪的關系，微觀上高點Ra0.8的數量相對少些，從而微觀上由于兩個表面首先是高點接觸，車削表面微觀接觸面積會相對少些，摩擦系數相對磨削表面低一些，但是差距情況難以量化。

齒輪內孔的精加工工藝選擇的是硬車，滿足圖紙尺寸精度及表面粗糙度要求，加工效率相對高、成本相對低些，為了驗證車削和磨削表面對打滑現象的影響，采取工藝試驗方法進行驗證，具體方案及結果見附表4：

表3

表4 車削和磨削內孔齒輪對比試驗

試驗結果顯示：結果均為打滑掉載，車削磨削兩種工藝造成的表面質量微觀差異，影響很小，可以忽略不計。

4.3.2 其它影響因素分析

若齒輪內孔及軸頸外圓配合表面存在雜質，將會影響表面微觀接觸面積，從而降低摩擦系數；若零件配合表面存在油污，將會起到微潤滑作用從而降低摩擦系數。

因此零件的清潔度要求必須達到很好的水平。在保證中間軸和齒輪零件清洗質量的同時，零件的物流運輸，裝配過程中的工裝夾具都需要保證很好的清潔度，不對零件造成二次污染。

4.4 齒輪的結構剛性影響因素分析

齒輪的剛性與齒輪對軸頸的抱緊力大小成正比，從四檔齒輪及常嚙合齒輪結構分析，兩個齒輪在整個接觸長度內，各區間的壁厚不一樣，壁厚薄的部位抱緊力降低。比較四檔齒輪和常嚙合齒輪，前者挖了較大的沉槽并在圓周方向增加了一些孔，是為了減輕重量、降低材料成本，但剛性相對降低，抱緊力降低，從而降低了力矩傳遞能力。

前面試驗結果顯示，在相同的過盈量情況下，四檔齒輪打滑掉載頻次況比常嚙合齒輪打滑頻次更高，四檔齒輪剛性相對低是主要因素之一。為了增加剛性對四檔齒輪結構進行改善，減小去重沉槽的寬度和深度，達到提高剛性的目的。

4.5 對策及效果

通過前述的分析及單項因素試驗驗證，確定了改善對策：

（1）將兩個軸頸基本尺寸增大0.04，公差不變， 增加齒輪內孔與軸頸配合過盈量0.04，總過盈量從0.085-0.134更改為0.125-0.174；

（2）對低檔齒輪減小去重槽寬度、深度等部位形狀，提高整體剛性；

（3）改善工藝措施，加強零件清洗清潔度控制、減少運輸及裝配過程中二次污染。

對策實施到位后，進行了多輪變速箱總成TES評審試驗，均再未出現齒輪打滑掉載故障情況。

5 結論

通過齒輪與軸的過盈配合聯接來傳遞力矩的方法，在重型變速箱中使用已成為趨勢，ZF、VOLVO變速箱均采取了這種結構方法。在這種結構形式下，過盈量的選擇、零件結構剛性的設計、制造過程中保證零件表面質量、和清潔度質量防止摩擦系數的降低，是影響力矩傳遞能力最主要的因素；在空間尺寸允許的情況下盡可能增大軸頸直徑、增加齒輪與軸頸接觸長度，也是增加動力傳遞能力的有效途徑。

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