變速箱的故障分析

王巖 郭凱 于淳 龔琳 李陽(yáng)

摘要：變速箱是傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，是影響其性能的關(guān)鍵部件。本文分析了變速箱中齒輪、軸承和軸等主要零部件的失效形式，并對(duì)故障診斷方法進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹。

關(guān)鍵詞：變速箱；失效形式；診斷技術(shù)

變速箱是機(jī)器的重要組成部分。具有傳遞運(yùn)動(dòng)、扭矩和實(shí)現(xiàn)變扭變速的功能，是各種車(chē)輛的重要部件。汽車(chē)變速箱是汽車(chē)的主要傳動(dòng)部件，擔(dān)負(fù)著將動(dòng)力從發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞到車(chē)輪的重要任務(wù)。但是由于機(jī)器的特殊運(yùn)行條件和運(yùn)行環(huán)境，使得變速箱中的齒輪、軸承、軸等主要零部件常發(fā)生故障。因而對(duì)變速箱的常見(jiàn)故障進(jìn)行分析具有重要的意義。

一、變速箱的主要失效形式

（一）軸承的失效

軸承最常見(jiàn)的失效形式是軸承滾道的疲勞剝落，剝落根據(jù)最初發(fā)生的部位可分為表面起源的疲勞剝落和表面下起源的疲勞剝落。

（1）軸承磨損失效。由于超負(fù)荷工作或潤(rùn)滑不良造成軸承滾道、滾動(dòng)體、保持架、內(nèi)孔和軸頸的非正常磨損、軸承精度超差，引起振動(dòng)。

（2）軸承疲勞失效。軸承的強(qiáng)迫安裝和潤(rùn)滑不良，會(huì)使?jié)L動(dòng)體及滾道表面在交變載荷作用下加速疲勞剝落，進(jìn)而造成軸承失效。

（3）軸承腐蝕失效。由于沒(méi)有及時(shí)更換失效或變質(zhì)的潤(rùn)滑油，而造成軸承表面的化學(xué)腐蝕，表現(xiàn)為表面產(chǎn)生銹蝕。

（4）軸承碎裂。由于長(zhǎng)時(shí)間、高轉(zhuǎn)速、大載荷運(yùn)行，以及潤(rùn)滑不良引起軸承高溫抱軸，若繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，將導(dǎo)致軸承的碎裂。

（5）軸承粘著磨損。由于軸承內(nèi)缺乏潤(rùn)滑油，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)生成的熱量不能及時(shí)散發(fā)。

（二）軸的失效

軸的失效形式主要是因疲勞強(qiáng)度不足而產(chǎn)生的疲勞斷裂，或是因靜強(qiáng)度不足而產(chǎn)生的塑性變形或脆性斷裂、磨損、超過(guò)允許范圍內(nèi)的變形和振動(dòng)等等。

（1）彎曲變形。當(dāng)軸受力過(guò)大、裝配不當(dāng)、存在內(nèi)應(yīng)力時(shí)均可引發(fā)塑性彎曲變形，引起振動(dòng)及故障。

（2）疲勞斷裂。在交變載荷的作用下，在軸的應(yīng)力集中部位會(huì)出現(xiàn)疲勞裂紋及斷裂。

（3）扭轉(zhuǎn)變形。轉(zhuǎn)軸在傳遞動(dòng)力時(shí)產(chǎn)生彈性扭轉(zhuǎn)變形，一般不影響軸的正常工作。但當(dāng)動(dòng)力或負(fù)荷扭矩變化時(shí)，就會(huì)引起轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。當(dāng)扭矩超限時(shí)可使軸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)永久變形。

（三）齒輪的失效

齒輪發(fā)生故障的比例很高，有齒輪裝置的傳動(dòng)機(jī)械中80%的故障與齒輪的故障有關(guān)，在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中齒輪的失效占其故障的10%左右。變速箱齒輪的失效類(lèi)型主要是齒面破壞和齒斷裂。

（1）齒面機(jī)械磨損。當(dāng)外部環(huán)境因素影響比較大，污物、金屬屑末、塵埃和砂粒等進(jìn)入齒的工作表面時(shí)就會(huì)引起齒面的機(jī)械磨損。此外，齒面的機(jī)械磨損還與潤(rùn)滑不良有關(guān)，當(dāng)操作不當(dāng)產(chǎn)生沖擊時(shí)，還會(huì)加速齒面的磨損。

（2）齒面的剝落。齒面如發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，在潤(rùn)滑不良、大載荷條件下會(huì)使工作面的溫度過(guò)高，從而引起齒面金屬熔融粘著并產(chǎn)生剝落。

（3）齒的斷裂。斷裂分疲勞斷裂和過(guò)載斷裂兩種情況，工作中齒根截面受彎矩最大，且根部有較大的應(yīng)力集中，是危險(xiǎn)斷面，當(dāng)負(fù)荷超過(guò)一定值或者在循環(huán)載荷的作用下，齒根部會(huì)產(chǎn)生裂紋、斷裂。

（4）齒輪潤(rùn)滑不良引起的失效。由于齒輪的潤(rùn)滑不良，從而導(dǎo)致散熱能力不足，或者長(zhǎng)時(shí)間超載運(yùn)轉(zhuǎn)引起齒輪溫升超標(biāo)，都會(huì)使齒面變色、退火軟化，造成齒輪失效。

二、變速箱的故障診斷技術(shù)

隨著檢測(cè)傳感技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等的發(fā)展，對(duì)變速箱實(shí)施故障診斷顯得尤為重要。自20世紀(jì)80年代初，我國(guó)開(kāi)展故障診斷技術(shù)的研究工作以來(lái)，從理論研究到實(shí)際應(yīng)用都取得了巨大的成就。變速箱的故障診斷作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷的一部分，在診斷技術(shù)的研究和應(yīng)用等方面也取得了較大的進(jìn)展。

變速箱的故障會(huì)引起機(jī)器振動(dòng)，產(chǎn)生噪聲，從而導(dǎo)致機(jī)器故障。根據(jù)檢測(cè)的手段不同，目前汽車(chē)變速箱故障診斷技術(shù)主要有以下幾種：

（1）振動(dòng)檢測(cè)法。振動(dòng)檢測(cè)法是以變速箱的振動(dòng)信號(hào)作為信息源，在變速箱運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)變速箱振動(dòng)參數(shù)的變化特征來(lái)判別變速箱的運(yùn)行狀態(tài)。

（2）噪聲檢測(cè)法。噪聲檢測(cè)法是采集變速箱運(yùn)行中的噪聲信號(hào)作為信息源，在變速箱運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)噪聲參數(shù)的變化特征來(lái)判別變速箱的運(yùn)行狀態(tài)。

（3）溫度檢測(cè)法。溫度檢測(cè)法是以變速箱的工作溫度作為采集信號(hào)，在變速箱運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)對(duì)溫度信號(hào)的監(jiān)測(cè)來(lái)判別變速箱的運(yùn)行狀態(tài)。

（4）聲發(fā)射檢測(cè)法。聲發(fā)射檢測(cè)法是以彈性波作為采集信號(hào)。因?yàn)樽兯傧涞慕饘倭慵谀p、變形、破裂過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生彈性波，分析彈性波的頻率變化，就可以判別變速箱的運(yùn)行狀態(tài)。

（5）光纖傳感法。光纖傳感法是利用光導(dǎo)纖維式位移傳感器直接從軸承內(nèi)圈和外圈的表面提取信息，來(lái)判別變速箱的運(yùn)行狀態(tài)。

（6）磨損殘余分析法。磨損殘余分析法是對(duì)變速箱潤(rùn)滑油中的磨損殘余物進(jìn)行分析，根據(jù)變速箱運(yùn)行過(guò)程中磨損殘余物含量的變化，來(lái)判斷變速箱的運(yùn)行狀態(tài)。主要包括光譜分析、鐵譜分析和x射線分析等。

三、小結(jié)

本文概括了汽車(chē)變速箱常見(jiàn)的幾種失效形式以及故障診斷的方法，為減少汽車(chē)變速箱的故障發(fā)生率，提高變速箱工作效率奠定了基礎(chǔ)。

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