變速箱高速齒輪斷齒失效分析

吳 優(yōu)，童啟明，雷江泉

（江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330001）

在機械技術(shù)發(fā)展的過程中，汽車技術(shù)得到了相應(yīng)的發(fā)展，汽車自動化水平逐步提升，汽車的機械裝置結(jié)構(gòu)也在不斷變化，逐漸向精密化方向發(fā)展。

變速箱高速齒輪是汽車內(nèi)部十分重要的零部件，對車輛運行時的動力與安全有重要影響[1]。從現(xiàn)階段來看，齒輪失效是發(fā)生率較高的機械工程問題，需要根據(jù)實際情況進行多方調(diào)查，嚴格掌控實際情況。對于實際中不同的機械微組織的加工要求和不同的機械熱處理制度要求，要立足現(xiàn)實，對變速箱高速齒輪的失效問題進行實際分析，在滿足現(xiàn)實要求的前提下，采取可行性較強的解決措施；同時，積極進行施工工藝的改造與優(yōu)化，研究施工零件，降低齒輪斷齒失效概率，可有效解決變速箱高速齒輪斷齒失效問題。

1 機械傳動齒輪的特征

眾所周知，在變速箱結(jié)構(gòu)構(gòu)成中，齒輪、傳動軸、支撐軸承具有重要作用。其中，齒輪是變速箱的核心零部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝、安裝裝配質(zhì)量的好壞都會影響變速箱的正常使用。根據(jù)試驗研究及相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，造成變速箱故障的因素中，齒輪失效占比接近60%，因此分析齒輪特征有助于人們了解齒輪的運行原理及故障發(fā)生的機理，對分析辨識齒輪的運行狀態(tài)具有極高的理論價值以及工程應(yīng)用價值[2]。

基于以上分析，文章將減速箱中的齒輪作為主要研究對象，分析齒輪的傳動特征，以利于分析齒輪失效故障。

機械齒輪具有良好的穩(wěn)定性，運行效率較高，且可以持續(xù)性地工作[3]，因此其在機械設(shè)計和制作中被廣泛關(guān)注。在實際應(yīng)用的過程中，為了解決機械齒輪的應(yīng)用問題，要確保操作準確，采取合理的技術(shù)提升其在應(yīng)用過程中的準確性。

2 變速箱高速齒輪斷齒失效分析

2.1 宏觀分析

從宏觀角度分析，根據(jù)實際情況可以了解到，如果某機械底盤的事故發(fā)生率不斷提高，大概率是齒輪卡齒已失效，主動齒輪為被動齒輪提供動力的工作能力大大減弱。一般情況下，在齒輪失效的狀態(tài)下，機械可行駛的里程數(shù)大概為1.3km。在使用的過程中，較小的齒輪零件也會由于老化嚴重出現(xiàn)掉落問題，致使機械設(shè)備的損壞問題惡化。另外，底盤內(nèi)的齒輪斷齒現(xiàn)象也與小齒輪的掉落現(xiàn)象有直接聯(lián)系。

在統(tǒng)計過程中可以了解到，現(xiàn)階段我國大部分情況下的齒輪機故障是在錯誤情況下進行輪胎倒車導(dǎo)致的。在持續(xù)工作的狀態(tài)下，機械設(shè)備表面也會出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象，齒輪表面涂料出現(xiàn)嚴重的磨損情況，嚴重狀態(tài)下會造成整個齒輪的斷裂[4]。為了避免齒輪斷裂，要考慮齒輪面積的影響。對此，可以增加齒根厚度或者增加齒輪寬度，也可以采用熱處理的技術(shù)方式進行齒輪性能的改進工作，提升齒輪表面強度和整體韌性。在進行技術(shù)加工的過程中，要避免技術(shù)差錯，提升尺寸的精確性，合理分配齒輪表面的承載壓力，對齒輪根部進行強化固定，從而做好齒輪斷齒問題的解決工作，避免其他問題的出現(xiàn)。

2.2 微觀分析

在發(fā)生齒輪故障后，采取技術(shù)手段進行微觀察，如進行金相組織的分析檢測，再進行齒輪的硬度檢測，之后開展材料檢測工作。微觀檢測的主要目的是進行失效部位的分析工作，主要檢測隱晶馬氏體、殘余奧氏體、針狀馬氏體、低碳馬氏體組織、游離鐵素體組織與細小顆粒狀碳化物成分。同時，可以采用洛氏硬度測試法或者韋氏硬度測試法進行硬度檢測工作，之后根據(jù)實際數(shù)據(jù)進行設(shè)計方案的更改工作。其中，從振動學層面對齒輪的運行狀態(tài)進行監(jiān)測以及分析，是齒輪故障診斷的關(guān)鍵技術(shù)。齒輪各振動源信號到達傳感器的抽象示意如圖1 所示。

圖1 源信號與傳感器檢測關(guān)系

2.3 工藝調(diào)查

進行主動齒輪和被動齒輪的調(diào)查工作時，要根據(jù)具體工藝進行有效分析，如依靠輔助技術(shù)進行實際分析和工藝調(diào)查。在進行熱處理工作時，可以采用不同的工作模式。熱處理的基本步驟包括清潔、氧化處理和鍛造處理，在技術(shù)應(yīng)用的過程中，需以此為參考標準，實現(xiàn)有效把控。完成鍛造工作后，要由具有專業(yè)能力的工作人員進行質(zhì)檢工作，按照國家標準要求進行技術(shù)檢測，以篩選出不合格的產(chǎn)品。針對符合技術(shù)標準的產(chǎn)品，也要注重保護管理，同時進行高效化的研究管理，為后續(xù)工作提供技術(shù)參考，以實現(xiàn)合理規(guī)劃，滿足整體齒輪的工作需要。

3 變速箱高速齒輪斷齒失效判斷的注意事項

1）具體分析變速箱高速齒輪斷齒的失效原因。通過分析實驗數(shù)據(jù)了解該齒輪的組成成分，進行微觀金屬的檢驗工作，同時判斷該齒輪的質(zhì)量標準是否符合技術(shù)要求。如果失效現(xiàn)象較為嚴重，需要交由專業(yè)的技術(shù)人員進行評測檢驗，結(jié)合實際問題進行齒輪技術(shù)的改進工作。同時，需要專業(yè)的技術(shù)人員進行化學成分分析，這對機械設(shè)備的規(guī)范化管理有幫助，可提升設(shè)備應(yīng)用效率。

2）馬氏體、貝氏體、鐵素體是齒輪的主體組織。從應(yīng)用元素的角度來說，如果其系數(shù)低于4.0，就不符合技術(shù)標準。不符合技術(shù)標準的齒輪硬度較低，不利于進行施工建設(shè)[5]。除此之外，齒輪的變形問題也是工程機械的應(yīng)用問題，使用質(zhì)量不達標的齒輪會造成變形現(xiàn)象，繼而導(dǎo)致齒輪的失效問題。如果不注重解決這類問題，就可能會引起更為嚴重的危險隱患。

3）斷齒問題多發(fā)于齒根部位。如果斷齒問題過于嚴重，在持續(xù)工作的過程中就可能會導(dǎo)致整個齒輪的工作受限，且如果無法有效控制斷齒問題的發(fā)展，還會導(dǎo)致問題加重。目前來看，如果齒輪承載壓力高于額定標準，也會造成其他方面的斷裂現(xiàn)象。在實際應(yīng)用的過程中，要有效控制齒輪的額定承載力，根據(jù)外來物的重量標準選擇相匹配的齒輪，然后進行齒輪的加工調(diào)節(jié)，從而緩解齒輪的應(yīng)用失效問題。

4）在實際應(yīng)用過程中，導(dǎo)致齒輪失效的主要原因是鋼筋中的魏氏組織。在實際分析過程中可以了解到，魏氏組織具有拉伸功能。從材料應(yīng)用的角度來說，魏氏組織對齒輪有重要影響，通過觀察魏氏組織的片狀組織，可了解到因為鋼筋導(dǎo)致的機體分裂，造成鋼筋的柔韌性降低，無法科學完成拉伸實驗，導(dǎo)致其應(yīng)用難度增加，不利于齒輪分析工作。

文章主要進行齒輪變速箱失效問題的研究，并且對其進行討論與分析。在實際應(yīng)用的過程中，齒輪斷裂的主要問題是制造過程中熱處理工藝的技術(shù)問題，導(dǎo)致魏氏組織斷裂，繼而出現(xiàn)齒輪齒根的斷裂問題。錯誤的技術(shù)操作會導(dǎo)致其韌性降低，也不利于氧化工藝的實際應(yīng)用。魏氏組織斷裂的直接原因是整體工藝的應(yīng)用強度不夠，導(dǎo)致組織設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)更為松散。在進行設(shè)計研究的過程中，要將實際工藝作為主要研究對象，總結(jié)可實際操作的應(yīng)用措施，以防止出現(xiàn)意外；同時，提升材料檢測力度，以更加全面地對產(chǎn)品進行控制。

4 變速箱高速齒輪斷齒失效的改進措施

為了有序開展變速箱高速齒輪的斷齒研究工作，要進行齒輪材料的有效分析，開展實時監(jiān)控，了解其各個階段的工作狀態(tài)。對此，可以從微觀層面和宏觀層面共同開展分析工作，進行數(shù)據(jù)計算，剖析實際問題，及時發(fā)現(xiàn)其存在的問題并有效處理。在變速箱的正常工作階段，建立完善的故障診斷體系，最大限度地避免齒輪失效問題，規(guī)避齒輪安全風險。

為合理進行鍛造齒輪的研究工作，提升鍛造齒輪的制造質(zhì)量，有效控制非金屬物質(zhì)，減少雜質(zhì)含量，在后續(xù)應(yīng)用的過程中需選擇合適的熱處理工藝。在熱處理工藝的應(yīng)用過程中，需避免齒輪的應(yīng)用問題，按照技術(shù)標準開展合理檢測，要定期維護齒輪變速箱的內(nèi)部零件及開展維修管理工作，實行規(guī)范化的檢測工作，并且有效開展齒輪周邊零件的維修保養(yǎng)工作，減少安全隱患，提升技術(shù)應(yīng)用水平，以保護齒輪。

5 結(jié)束語

文章對工程設(shè)計中齒輪變速箱失效問題進行了研究，并提出了具體的注意事項及有效的改進措施。從目前來看，齒輪斷裂的主要原因是內(nèi)部結(jié)構(gòu)問題和齒輪的堅韌性問題。在制造過程中，熱處理工藝的技術(shù)問題會導(dǎo)致基本結(jié)構(gòu)的斷裂，為了減少技術(shù)問題，提升工藝品的整體強度和堅韌性，要采用合適的施工工藝。在這樣的研究背景下，要以此為出發(fā)點，借助現(xiàn)代化技術(shù)規(guī)避風險問題，最終實現(xiàn)產(chǎn)品控制，最大程度上解決齒輪變速箱的應(yīng)用問題，提升內(nèi)部檢測力度，實現(xiàn)可靠管理，為工藝技術(shù)的實際發(fā)展提供有效動力，減輕工作人員負擔，從而提升機械工藝的發(fā)展效益。