汽車變速器齒輪齒端崩角失效分析及優化改進

李敏捷 余淼

摘 要：齒輪是汽車變速器關鍵傳動零件，齒輪的正確嚙合與疲勞壽命直接關系到變速器的工作性能和使用壽命。文章以某客車變速器為研究對象，針對變速器在總成疲勞壽命試驗中出現的齒輪齒端崩角失效問題，應用金相檢驗、電鏡觀察、齒輪齒面拓撲、Romax計算分析、尺寸鏈計算等方法，逐步查明導致輪齒齒端崩角失效的原因，并根據分析結果對齒輪進行優化改進。通過實驗驗證了改進方案的可行性，最終解決了此齒端崩角問題。為類似的齒輪疲勞失效問題提供了可以借鑒的分析思路和驗證方法。

關鍵詞：變速器；齒輪失效；齒端崩角；改進

中圖分類號：U462.1 文獻標識碼：B 文章編號：1671-7988（2018）17-118-03

Abstract： The gear is the key transmission part of automobile transmission， the correct meshing and fatigue life of gears are directly related to the working performance and service life of transmission. This paper takes a passenger car transmission as the research object， in view of the failure problem of gear tooth end breakage in the fatigue life test of gearbox， the failure reason of tooth end collapse angle is determined by metallographic examination， electron microscope observation， gear tooth surface topology， Romax calculation analysis and dimension chain calculation. According to the analysis results， the optimization of gears is improved， and the improvement scheme is validated by experiments， and finally the problem is solved. This method can be used for reference to the problem of fatigue failure of gears.

Keywords： transmission； gear failure； gear tooth end breakage； optimization

CLC NO.： U462.1 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）17-118-03

前言

傳動齒輪對于變速器屬于關鍵零部件，齒輪的承載能力和可靠性直接影響著變速器總成的壽命和可靠性。在新產品性能和疲勞壽命驗證階段，檢查齒輪是否出現齒面點蝕、輪齒折斷等失效模式[1]，是判斷試驗通過與否的基本手段。對于非常規的失效模式，如早期點蝕斷齒、個別輪齒齒端崩角等，就需要詳細查找故障原因，并提出改進措施，最后通過實驗驗證改進措施的有效性。

1 問題描述

該產品是我公司開發的某款客車變速器，在臺架壽命開發試驗過程中出現比較異常的個別輪齒齒端崩角掉塊現象。變速器正確連接在疲勞試驗臺架上，按試驗大綱要求完成疲勞試驗，試驗過程中無明顯異常或異響。完成疲勞試驗后，拆檢變速箱發現某檔位主動檔齒輪靠近同步器一側的端面齒頂發生5個輪齒的齒頂異常崩角掉塊，目測最嚴重一處掉塊有1/4小拇指指甲蓋大小，其余四處崩角的掉塊與芝麻大小相當，軸承旋轉無卡滯，殼體及其余零件均正常，未見明顯失效。

從齒輪齒頂掉塊形貌來看， 5 個崩齒均位于嚙合面端面齒頂，分布在正對的兩處，其中一處為4 個齒連續分布。單獨發生崩齒的輪齒失效較為嚴重，斷口呈平面形狀，正對的4個相鄰的輪齒，斷口均呈“C”字形。齒頂掉塊均比較小，在拆檢時變速器中沒有找到相應的金屬塊。經分析認為可能是在生產加工環節，比如在熱處理之前磕碰導致的。為了進一步查找原因，我們對該故障齒輪做了理化檢測分析。

2 問題分析及查找原因

首先考察齒輪幾何尺寸、材料、熱處理是否符合圖紙要求。對齒輪材料及硬度做了檢測，結果說明齒輪材質和熱處理質量均符合圖紙要求[2]。

接著考察齒輪是否在變速器裝箱之前如機加工或熱處理前發生磕碰導致齒頂崩齒掉塊。對齒輪在掃描電鏡下進行微觀分析。崩齒形貌如圖2所示。

從崩齒形貌來看，崩齒處局部斷口特征為沿晶脆性斷裂，說明崩齒發生在熱處理之后；同時觀察了崩齒輪齒的的鄰近齒，臨近的輪齒雖然沒有表現出肉眼可見的崩齒掉塊，但在電鏡觀察到仍已經產品顯微裂紋；多個齒齒頂角有掉塊痕跡，但崩齒處、顯微裂紋和掉塊位置均未發現塑性變形痕跡，認為崩齒和裂紋、掉塊不是熱后磕碰產生；由此可以確認，齒輪齒頂崩齒是在臺架疲勞試驗過程中產生的，推測齒頂角嚙合時受到沖擊載荷，頂角齒面產生微裂紋，裂紋逐步擴展最終發生崩齒。

考慮到齒頂崩齒掉塊正好發生在率先進入嚙合的一側，考察齒輪副嚙合時是否存在偏載導致率先進入嚙合的一側頻繁受到沖擊載荷導致崩齒掉塊。齒輪傳動系統受載后，齒輪輪輻、軸、軸承以及殼體等發生彈性變形，導致齒輪實際嚙合位置偏離理論正確位置，出現不同程度的齒形和齒向偏載情況。當齒輪出現偏載時，容易導致齒輪早期點蝕或者斷齒失效。早期點蝕是齒面疲勞損傷的常見形式，齒輪齒面在循環的接觸應力作用下，齒面上產生微小裂紋導致剝落產生微小麻點損傷，在持續的循環接觸應力作用下，麻點逐漸擴大最終形成明顯的齒面凹坑。單純提高齒輪的加工精度和安裝精度來改善齒輪傳動的偏載問題，成本較高[3]。通過合適的齒廓修形和適當的齒向修形手段可以有效的調整齒輪嚙合位置，補償齒輪受載變形后產生的嚙合偏載，使齒輪在正確位置接觸嚙合，齒型修形和齒向修形是解決齒輪偏載問題的有效手段。

首先對失效齒輪進行精密測量，得到其實際齒面拓撲。根據變速器總成圖紙建立變速器Romax模型，并對齒坯和殼體進行柔性化處理，選擇變速器潤滑油牌號及顆粒度代碼，根據變速器疲勞試驗大綱得到該檔位齒輪疲勞壽命指標，根據該擋位轉速和速比信息計算得到該擋位運行時間。針對齒輪圖紙修形和齒輪實際齒面拓撲分別通過Romax接觸分析計算得到該檔位最大接觸應力云圖，圖3a為按圖紙修形，圖3b按實測齒面拓撲。

從圖中可以看出，按圖紙修形，中間軸三擋輪接觸無偏載。按實測齒面拓撲，中間軸3擋輪接觸有輕微偏載，齒頂端的接觸應力約為800Mpa，引起崩齒可能性不大。由此可知齒輪的輕微偏載不是導致齒頂崩齒掉塊的主要原因。

在排除了齒輪幾何形狀、熱處理等不符合圖紙以及齒輪偏載導致崩齒掉塊的原因之后，再次認真檢查失效齒輪以及與失效齒輪配合的被動齒輪。該變速器為全同步器變速器，且為了減小軸向尺寸，多數同步器的結合齒圈直接焊接在輸出軸齒輪上，與失效齒輪配合的被動齒輪與同步器結合齒圈焊接為一體成被動齒輪總成，經仔細檢查發現，被動齒輪總成上的焊接齒圈在正對該檔位主動齒輪的端面靠外圈處有一圈磨損痕跡。由此可以推斷，該對齒輪副在嚙合傳遞扭矩過程中，被動齒輪零件與主動齒輪在端面區域有接觸，由于轉速差的存在，出現磨損痕跡。同步器結合齒圈的外圈直徑與被動齒輪齒輪的齒頂園直徑正好相當。如圖4所示。

假設主動齒輪軸向前移動到極限位置，輸出軸向后移動到極限位置，通過校核尺寸鏈[4]，可知該檔位主動齒輪與被動齒輪總成上的同步器結合齒圈之間的間隙X=0.70±0.695mm，從計算結果可知，該檔齒輪副在極限情況下，主動輪與被動輪零件軸向間隙很小。該款變速器為全斜齒變速器，被動齒輪軸向力向后，主動齒輪軸向力向前，被動齒輪與同步器結合齒圈為焊接結構，在軸向力作用下，同步器結合齒圈向右軸向移動，最小間隙X=0.005mm。雖然最小間隙大于0，沒有發生干涉，但由于兩零件端面跳動誤差和相對轉速差的存在，結合齒圈端面局部會與主動小齒輪個別齒端面發生接觸甚至產生擠壓應力。

由此可知，該檔主動齒輪靠近同步器一側發生個別齒頂崩齒的主要原因是被動齒輪總成上的同步器結合齒圈右端面與主動齒輪左端面軸向間隙過小，在軸向力的作用下，發生摩擦甚至擠壓，導致在疲勞臺架試驗過程中產生個別輪齒齒頂崩齒掉塊的失效模式。

3 優化改進措施

通過一系列的問題分析和原因查找，最終確定了導致該異常失效模式的主要原因。失效原因明確了之后，改進措施只需對癥下藥。該異常失效的主要原因是主動、被動零件之間軸向間隙過小，在軸向力的作用下，發生摩擦甚至擠壓，最終導致在疲勞臺架試驗過程中產生個別輪齒齒頂崩齒掉塊的失效模式。因此，只需將主被動零件軸向間隙改大或者將回轉零件的端面跳動誤差改小即可。考慮到目前圖紙上要求端面跳動誤差在我司屬于大批量零件的正常工藝水平，如果改小端面跳動，將額外的增加零件制造成本，因此改大主被動零件軸向間隙是比較良好的改進措施。具體措施就是減小中間軸三檔齒輪在齒全高附近的齒寬。

4 優化方案試驗驗證

通過臺架總成疲勞壽命驗驗正優化方案是否能解決失效問題。優化后的中間軸三檔齒輪做變速器總成臺架壽命疲勞試驗，試驗過程中三擋狀態良好.沒有發生異常振動或報警。試驗完成后拆解試驗樣箱，檢查中間軸三檔齒輪和二軸三檔齒輪總成齒面及端面情況，未發現點蝕現象和磨損現象。

5 結論

本文以客車車變速器為例，針對該變速器在臺架總成壽命試驗過程中出現的中間軸三檔齒輪比較異常的個別輪齒齒端崩角掉塊問題.應用金相檢驗、電鏡觀察、齒輪齒面拓撲、Romax分析、尺寸鏈計算等方法，分析異常齒端崩角掉塊失效原因，并根據分析結果對齒輪進行優化改進以解決崩齒掉塊問題。為類似的齒輪疲勞失效問題提供了可以借鑒的分析思路和驗證方法。

參考文獻

[1] 龍振宇.機械設計[M].機械工業出版社，2002.07.

[2] GB/T 230.1-2009金屬材料洛氏硬度試驗第1部分：試驗方法.

[3] 白學斌，劉志勇，張曉麗，馬振輝.汽車變速器齒輪偏載點蝕失效分析及優化設計[J].傳動技術，2017.06：8-12.

[4] 張帆，宋緒丁.互換性與幾何量測量技術[M].西安電子科技大學出版社，2007.