電控EGR閥齒輪斷裂問題分析與解決

都興鵬+武獻兵+王安陽+黃建忠+孫小偉

摘 要：某電控EGR閥在耐久試驗過程中出現雙聯齒輪啃齒問題。為解決此問題，首先確認斷裂位置及形態；其次，利用電鏡對失效樣件進行斷口分析、斷口周邊元素觀測，初步確認齒輪失效原因；再次，通過計算機仿真分析對塑料齒輪嚙合受力及斷裂真因進一步確定，制定整改對策；最后，樣件整改并策劃試驗進行驗證。結果表明：PES塑料齒輪啃齒受溫度影響不大，而齒輪根部強度及嚙合長度是影響齒輪強度的決定因素。因此，通過優化齒輪參數、增加齒輪齒根強度，此問題最終得以解決。

關鍵詞：塑料齒輪；變位系數；齒寬；全圓角

中圖分類號： TM23 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）23-144-2

0 引言

近年，隨著塑料齒輪具有質量輕、噪聲低、自潤滑好、生產效率高、制造成本低等特點，高強度、高性能的塑料，則成為當今社會研究的重要課題。

因塑料零部件較金屬材料可實現節能減重，降低油耗，提高生產和組裝的效率、減噪降震效果、可耐受各種車用液體、耐受摩擦和腐蝕性能等優勢，在發動機零部件領域應用隨之增加，而高精度、高強度則是塑料類零部件發展的主題，進而高功能塑料（如PES等）逐步得到應用。

1 問題描述

某發動機在耐久試驗過程中，發動機存在故障燈點亮問題，排查發現發動機EGR閥無法開啟，經對故障件拆解分析，EGR閥傳動雙聯齒輪存在啃齒現象，排查同批次試驗樣件，同樣存在齒輪啃齒現象，齒輪啃齒導致傳動機構卡滯，EGR閥無法開啟，齒輪啃齒現象如圖1所示。

2 問題分析排查

2.1 齒輪受力情況排查

電控式EGR閥有直流電機驅動，經齒輪組減速后，由輸出軸輸出，經搖臂組件將旋轉運動轉化為直線運動，為實現電控閥的自回位功能，在閥桿組件位置設置有回位彈簧，實現閥的斷電自回位功能。

經電機功率、扭矩對比及彈簧彈力對比，EGR閥試驗運行過程中無異常受力情況，排除異常外力導致的齒輪斷裂問題。

2.2 斷口形態分析

首先對斷裂齒輪斷裂位置微觀形態進行分析，經電鏡1000倍放大后微觀形態觀察，如圖2、圖3所示，齒輪整體斷裂，斷裂部位源于齒輪根部R角與齒過渡區，斷裂區域不存在氣泡等注塑缺陷，碳纖組織分布均勻，初步分析為根部R角過渡區強度不足造成齒斷裂。

2.3 齒輪受溫度影響排查

側隙是指安裝好的齒輪副當一個齒輪固定時，另一個齒輪的圓周方向晃動量，以分度圓上弧長計。齒輪側隙是為了保證齒面間形成正常的潤滑油膜和防止由于齒輪工作溫度升高引起的膨脹變形致使齒輪卡滯。因前期考慮齒輪受熱的膨脹量，齒輪按照基齒厚制，拉大齒輪中心距，設定齒輪側隙為（0.09-0.12）mm。經從有限元的分析結果看，高溫條件下側隙與常溫差別不明顯（PES塑料受溫度影響不大），高溫下不存在齒輪膨脹卡滯問題（圖4所示）。

2.4 齒輪嚙合排查

齒輪參數包括：模數，齒數，壓力角，齒頂高系數，齒根高系數，齒寬，變位系數。齒輪傳動其強度分為齒根強度和齒面接觸強度。齒面接觸強度，主要和兩嚙合齒輪的材料和齒面硬度及齒寬有關系；齒根強度，主要和齒輪模數和齒寬有關系；對于變位齒輪，則和變位系數也有一定的關系：對于正傳動，也就是正變位齒輪，其齒根強度越強，而負變位齒輪則因齒根處被削弱，其承載能力下降，也就是強度下降。因考慮主動齒輪為小模數且齒數<17，采用滾齒加工方式，故齒輪變位系數設計為X1=0.3，中間過渡齒輪為PES高功能塑料齒輪，采用注塑工藝獲得，故變位系數設計為X2=-0.298，經齒輪靜態核算，齒輪不存在卡滯等問題。對比標桿齒輪數據，本設計中間過渡齒輪變位系數較大，且根部過渡角較小，存在齒根強度不足問題。

2.5 強度校核

按運行方式，通過動力學分析可以得出中間過渡齒輪啃齒原因是：在閥關閉后從動齒輪與主動齒輪運動不同步，主動齒輪（閥門關閉時轉速約1200rpm）在慣性作用下會對中間齒輪產生沖擊（如圖5所示），中間齒輪同時會把沖擊傳遞給從動齒輪，進而造成齒輪根部受沖擊載荷達到110.3MPa，超過塑料齒輪的許用應力102MPa，造成齒輪齒根部斷裂。

3 齒輪優化措施

3.1 嚙合中心距修正

為防止齒頂干涉，將中心距a進行適當修正；為防止齒側干涉，將公法線長度Wk、變位系數x作適當修正。中間過渡齒輪為輕載高速組齒輪，輕微的干涉將導致噪聲甚至卡滯，過大的間隙則降低重合度并產生噪聲、同時降低齒輪強度。其模數m 取0.45，在無側隙嚙合設計計算的基礎上，將中心距增加量Δa=（0.15～0.25）m，小齒輪的公法線長度減小量ΔWk=-0.0425mm，大齒輪的公法線長度減小量ΔWk=-0.045mm。因此齒輪組中心距已確定，按中心距反推思路，變位系數取0.2。

3.2 齒頂圓直徑的修正

為了減少生產中可能出現的干涉，防止齒頂過度變尖和模具加工困難，齒頂圓直徑取下偏差，直徑減小量0.045。

3.3 齒頂、齒根過渡圓弧半徑的設計

齒頂、齒根過渡圓弧是影響齒輪強度及嚙合過程的關鍵因素，結合塑料齒輪的設計經驗，齒根圓過渡圓弧采用全圓角設計思路，而齒頂過渡圓弧則結合齒根圓弧的大小做對應的調整。設計過程中聯合注塑齒輪模具的生產工藝（齒根過渡圓弧根據線切割加工工藝而設置的，其最小曲率半徑取決于線切割加工所用的電極銅絲直徑d、火花間隙、走刀次數等工藝條件）。為了保證足夠的重合度和齒頂厚度，應盡量減小齒頂過渡圓弧半徑，同時應滿足條件：

ρa min=d/2+放電間隙+0.01

按小模數齒輪齒廓基本參數，齒根過渡圓弧半徑ρf≤0.2m。為了保證輪齒齒根抗彎強度，在確保不發生過渡曲線干涉的情況下，應加大ρf的取值，且須滿足線切割工藝限制條件，故按全圓角設計思路，取0.25。

3.4 齒輪寬度設計

齒輪傳動組采用的為減速齒輪，設計經驗中顯示：為了保證齒輪接觸線長度及提高小齒輪的齒面接觸強度，取小齒輪的齒寬大于大齒輪的齒寬。本設計齒輪傳動組中，小齒輪為銅合金材質，大齒輪采用塑料齒輪，材料性能的差異導致在嚙合運行中，大齒輪齒面強度相對較小，故塑料齒輪設計經驗中顯示將強度低的齒輪齒寬增大5—10mm。

經計算，齒輪參數優化方案，參數見表1所示：

4 塑料齒輪的強度校核及驗證

4.1 采用單齒受力校核

通過齒輪分度圓加載載荷方案進行強度校核，法向載荷0.07N·m，均勻分布在直齒圓柱小齒輪節點上，通過分析，齒輪各項應力值均大幅降低（約40%），具體數值見表2。

4.2 運動仿真校核

應用動力學運動仿真分析：①正常運行狀態加載系統的傳統載荷；②在閥門關閉時刻，增加從動齒輪與主動齒輪運動不同步沖擊力。

應力等值線圖顯示（圖6所示），在EGR閥關閉時刻因受齒輪不同步運動的沖擊力，齒根過渡圓弧處接觸線上出現最大負應力，即最大壓應力，此是導影響塑料齒折強度的關鍵因素。

在初始設計中，最大壓應力在齒根過渡圓弧上處，達110.3MPa，超過材料的許用極限應力值的8%。優化設計后，齒根過渡圓弧處壓應力為52MPa，齒根應力顯著下降。

4.3 試驗驗證

按優化后方案制作樣件，裝配總成進行試驗，經單體耐久試驗驗證規范，帶溫度變化運行575H，各齒輪無啃齒及斷裂問題，且齒輪副無異常磨損，與受力分析結果一直。試驗后照片圖7所示。

5 結論

本文提供了塑料齒輪設計思路及優化方案，結合注塑模具制造工藝（慢走絲線切割模具）和塑料注射成型工藝的特點，給出了相應的齒廓造型參數的設計修正原則和齒輪過渡圓角的設計原則，并應用有限元分析方法進行齒輪強度優化設計強度校核。改進后的齒輪使用壽命6百萬次以上，滿足在汽車行業的設計使用要求，此次改進研究，對塑料齒輪設計有非常重要的意義。

參 考 文 獻

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