我國汽車齒輪傳動系統基礎試驗與測試技術發展現狀

張敬彩

中國機械科學研究總院集團有限公司 北京 100044

我國汽車齒輪傳動試驗與檢測技術經過數十年的發展，已基本形成包含基礎試驗、開發試驗、對標試驗、下線檢測、在線監測為一體的覆蓋產品全壽命周期的試驗與檢測體系。

基礎試驗及其發展概況

汽車齒輪傳動產品的基礎試驗主要目的是為齒輪設計和質量升級提供基礎數據（疲勞性能、動態性能等），支持優化材料、工藝、潤滑油以及進行齒輪抗疲勞設計、制造技術研究。齒輪傳動相關基礎試驗通常包括齒輪承載能力試驗，齒輪傳動誤差試驗等，這類試驗一般不以具體產品為目標，而是選擇具有代表性的被試零件進行測試，得到的試驗數據具有一定的普遍應用價值。

在我國，真正全面開展齒輪承載能力試驗研究起步較晚。20世紀80年代初，以鄭州機械研究所、北京鋼鐵學院（現北京科技大學）和哈爾濱工業大學等為核心的研究團隊，用3年時間進行了200多對齒輪的運轉試驗，對我國軟/硬齒面齒輪的承載能力進行了全面的試驗測試與對標（ISO標準）研究，這是至今為止的一次較大規模的齒輪試驗研究，形成了一定的基礎數據，奠定了基礎試驗的試驗方法。

此后，一些軟/硬齒面鋼齒輪的極限應力測定、齒輪的變形和剛度測定、油膜厚度及齒面溫度測定等都取得了一些成果。在承載能力試驗設備研制方面，CL-100、JG-150等疲勞試驗機制造已經形成小批量規模。試驗規程的標準化工作也加快了步伐，基于ISO的接觸疲勞強度、彎曲疲勞強度和齒輪膠合承載能力的國家標準于20世紀90年代初相繼頒布。

但在隨后較長一段時間里，國家在基礎研究領域投資減少，對基礎試驗的重視程度降低，導致齒輪承載能力試驗研究基本處于停滯狀態，因此我國的齒輪承載能力測試與抗疲勞設計制造技術研究水平與國外先進水平相差甚遠。與先進國家同類產品相比，傳遞同樣轉矩，我國齒輪傳動產品的體積、質量比國外大30%～50%甚至更多；同樣體積的產品則傳遞轉矩明顯偏低，振動噪聲及可靠性水平也有較大差距。

近年來，在企業發展需求推動和國家政策的支持下，齒輪基礎試驗在汽車行業得到逐步重視，部分高校、研究院所和高端、大型汽車齒輪傳動企業已重啟齒輪承載能力測試研究，獲得的試驗數據已能初步指導正向設計的開展與制造工藝的優化，推動了設計制造一體化進程，對提高產品可靠性起到了有效作用。

企業對試驗檢測的重視也推進了相關試驗設備的研發。機械科學研究總院下屬中機生產力促進中心測試技術與裝備研究所，在引進國外先進測試方法與技術的基礎上，成功研制了背靠背齒輪疲勞性能試驗臺及齒輪接觸疲勞試驗方法，自適應均載齒輪彎曲疲勞試驗夾具與試驗方法，以及帶載高精度齒輪接觸斑點、傳遞誤差試驗臺及相關試驗方法，為國內企業提供了先進可靠的試驗設備和全面深入的技術服務，有力推動了汽車行業齒輪基礎試驗的開展。

齒輪疲勞測試

1.齒輪疲勞試驗的作用與意義

齒輪疲勞試驗是齒輪產品壽命與可靠性的保證，產品功率密度及成本控制的基礎。通過疲勞試驗，可以建立全面可靠的基礎數據庫，提供分析設計可靠性，縮短開發時間，降低開發成本，解決產品壽命可靠性和承載能力（功率密度）問題，從根本上提高產品競爭力。

齒輪疲勞試驗的作用和意義如下：

（1）獲取基于實際工藝及潤滑條件下的齒輪材料S-N曲線 齒輪的強度與壽命，不僅與材料牌號有關，還與齒輪的熱處理工藝、冷加工工藝、表面處理工藝以及潤滑油性能有關。因此，從材料手冊上查出的材料強度數據無法代表本企業的齒輪強度，要想獲得可靠的數據，必須通過試驗測試本企業工藝條件下齒輪材料的疲勞特性。

基于實際所用材料、加工工藝、油品條件等，通過測試齒輪材料的疲勞性能，獲取S-N曲線，從而用于產品正向設計，制造出樣機后再進行載荷譜下的疲勞壽命試驗，最終實現批量生產。這樣的技術路線（見圖1）才能從根本上解決齒輪疲勞壽命問題，實現高功率密度和高可靠設計，形成設計——試驗——生產的閉環。

圖1 提高齒輪傳動疲勞可靠性的技術路線

將企業所用齒輪材料和對應工藝加工出的齒輪疲勞強度特性，通過試驗測試出來，提供給設計部門。一方面解決了設計部門在進行設計時缺少依據的問題；另一方面，讓設計部門選擇已有實際測試數據的材料進行設計，可以實現以下目標。

1）設計部門的設計以企業使用的材料和工藝為基礎，因此，新產品設計完成后，工藝部門無需再進行齒輪加工工藝的開發，而是直接采用指定材料和工藝，提高效率。

2）確保所用材料和工藝加工出的齒輪疲勞強度符合設計計算結果，保證產品可靠性，免除制造產品強度指標不確定的風險和問題。

（2）以試驗數據為基礎確定企業齒輪加工工藝優化方向 哪一種工藝更好？在材料相同、成本相當的情況下，能夠獲得最好的齒輪強度和壽命指標的工藝顯然是好工藝。通過試驗測試不同工藝下的齒輪強度和疲勞壽命特性進而進行比較，是優化工藝的重要指南和客觀指標。

一個好的齒輪加工企業，正是通過不斷的測試對應不同材料和工藝的齒輪疲勞特性，對比選擇，達到不斷優化齒輪加工工藝的目的。其結果是，在材料相同、成本相當的條件下，生產出疲勞強度更高的齒輪，提高產品競爭力。

（3）為企業決策提供客觀依據 齒輪疲勞試驗結果可以為企業大型決策提供客觀依據。例如：一種齒輪加工工藝（強力噴丸的呢等）是否應該采用，需要進行投資和回報比較，而回報的關鍵指標就是齒輪的疲勞強度提升量有多少；決定是否需要引進一種新型齒輪材料時，同樣需考慮其對齒輪強度和壽命的提升程度；在投資額給定條件下,是投資于提升齒輪材料還是投資于提升工藝水平，同樣需比較采用不同改進后所得到的齒輪強度和壽命提升量的大小。齒輪疲勞壽命對比試驗即可以為此決策提供客觀依據。

齒輪疲勞測試包括齒輪彎曲疲勞、接觸疲勞測試，分別對應不同測試方法和試驗設備。

2.齒輪接觸疲勞試驗技術與設備

齒輪接觸疲勞試驗的目的是測試齒輪在傳遞一定轉矩（不同水平轉矩）的情況下，齒面出現點蝕等接觸疲勞前所能運行的循環周次。齒輪接觸疲勞試驗需要將載荷（轉矩）施加到一對齒輪上，通過齒輪進行嚙合運行來進行測試。

齒輪接觸疲勞試驗一般采用背靠背結構，功率封閉模式試驗臺，這樣的布置使得運轉成本低。

為保證試驗結果的可靠性，試驗設備必須滿足以下基本要求：

（1）高系統剛度 試驗臺需確保在全部的加載轉矩范圍內，都能保持齒輪處于良好的嚙合狀態，保證齒輪嚙合狀態不隨載荷變化而變化。保證試驗臺好的系統剛度，無法通過提高試驗臺的零件剛度而實現，而是需要通過優化設計，剛柔搭配，最終保證試驗齒輪的基本額嚙合狀態不隨載荷變化而改變。

如果試驗臺設計剛柔搭配不合理、系統剛度不好，加載后會導致齒輪軸、軸承和齒輪箱體的變形，從而使齒輪產生錯位，并最終導致在齒輪局部產生較高的接觸應力。這將導致試驗結果失真并將誤差帶入到齒輪材料疲勞強度數據，將這樣的數據用于齒輪的分析和計算，將誤導設計，導致設計結果不可靠。

（2）長壽命、高可靠性 作為疲勞壽命測試設備，齒輪疲勞壽命試驗臺需要具備高可靠性，具有每天連續24h運行能力，而且使用壽命盡量長。

該類設備的典型代表是機械科學研究總院中機生產力促進中心與英國紐卡斯爾大學齒輪技術中心合作產品。該設備以英方全套技術為基礎，形成了系列化產品。如圖6所示分別為91.5mm和160mm兩種中心距的齒輪接觸疲勞試驗臺，其參數見表1，其用戶包括陜西法士特齒輪傳動有限公司、上汽變速器有限公司等大型汽車齒輪傳動企業。試驗設備性能代表國際先進水平。

圖2 中機-DU系列化齒輪疲勞壽命試驗臺

表1 中機-DU系列化齒輪疲勞壽命試驗臺技術參數

中機-DU系列化齒輪疲勞壽命試驗臺除了滿足上述齒輪疲勞壽命試驗臺的基本要求之外，還具有如下特點：

1）液壓加載，先起動后加載，避免帶載起動瞬間過載損傷齒面。采用液壓加載器，轉矩與轉速無關隨時可調，因此可以實現試驗臺起動運行平穩后再逐漸加載至試驗轉矩，然后開始計數。很好地避免了機械扭桿加載所無法避免的加載后強行起動所帶來的起動載荷遠大于設定載荷而導致的不應該有的損傷，保證試驗結果的可靠性。

2）液壓加載，閉環控制，轉矩穩定、精度高。采用液壓加載器，轉矩加載通過計算機及安裝在轉矩封閉環中的轉矩測量單元和遙測系統形成轉矩閉環控制回路，實現了與轉速無關的、連續無極可調的轉矩控制。轉矩控制準確、穩定，因此可以保證整個試驗過程中的轉矩穩定在目標試驗轉矩值，避免了機械扭桿加載式試驗臺在試驗過程中轉矩由于長時間運行而逐漸衰減的問題。

3）液壓加載，增加阻尼減振、振動小。液壓加載器作為連接兩個試驗箱中的一個柔性環節，起到了增加阻尼和減小振動的作用。與扭桿加載式試驗臺相比振動小，避免了振動對試驗結果的影響，因此可以保證試驗結果的可靠性。

4）試驗效率高。試驗臺具有兩個試驗齒輪箱，兩個試驗箱可同時進行試驗（而不是一個試驗箱，一個陪試箱）。因此每次試驗，可給出兩組疲勞強度或磨損數據，效率是只有一個被試箱試驗臺的兩倍。在兩個試驗齒輪箱里可以同時測試不同的齒輪材料、熱處理工藝和潤滑油品，更方便用于對比測試，可以準確得到相同工況下的不同材料、工藝加工齒輪的疲勞壽命區別。

5）節約試驗齒輪。試驗臺可正反轉動和加載，可以對齒輪兩側齒面進行試驗。在不拆卸齒輪的情況下，每對齒輪可以獲得兩個數據。

6）加載無滯后、試驗結果更準確。試驗臺液壓轉矩加載器采用間隙密封（無密封圈），具有長壽命，免維護，無滯后的特點。

7）錐孔配合，對中精度高、易裝卸。試驗齒輪安裝方式為錐孔配合，可實現齒輪快速安裝和拆卸，而且齒輪和軸對中精度高，無磨損，確保試驗結果可靠性。

試驗臺主要功能如下：

建立使用現有熱處理方法和加工工藝加工的齒輪材料性能數據，該數據可以直接用于齒輪設計，也可作為評估替代材料或熱處理工藝的評價標準。

評估新型齒輪鋼的性能及工藝水平，如空氣滲碳淬火鋼、直接淬火鋼、新型滲氮鋼和其他替代鋼或新的熱處理工藝。

評估可供選擇的表面處理工藝對齒輪疲勞性能的改善程度，例如強力噴丸、激光噴丸、齒根研磨及表面鍍膜（例如基于PVD技術的薄碳膜）等。

評價齒輪、潤滑油微觀點蝕性能——由于臺架具備高速、大轉矩性能，因此可用于評價初期微觀點蝕的發生。試驗臺布局決定了該試驗臺可用于小齒輪為主動齒輪和被動齒輪兩種運行方式的微觀點蝕的研究分析。

齒輪膠合性能——試驗臺的設計運行速度遠遠超過齒輪膠合速度極限。由于臺架可以嚴格控制驅動功率，因此膠合試驗可以安全進行。

齒輪潤滑試驗——每個試驗齒輪箱有一套獨立的潤滑系統，并具備溫度控制功能。結合高速大轉矩運行能力，試驗臺可準確地評估針對實際齒輪幾何形狀嚙合的潤滑油性能。

齒輪修形驗證——可用于對基于3D技術的微觀幾何修形設計進行驗證。

該系列試驗臺已廣泛逐步應用于國內重點傳動企業，其中汽車行業用戶包括法士特汽車傳動集團公司、上海變速器有限公司。

3.齒輪彎曲疲勞試驗技術與設備

齒輪彎曲疲勞試驗可以在上一節介紹的背靠背齒輪疲勞壽命試驗機上，通過對滾連續運行方式進行。這種方法更接近實際工況，但試驗時間長，試驗成本高。

另一種方法是將被試齒輪固定，通過加載夾具由脈動加載試驗機在齒輪輪齒上施加周期變化的載荷。這種方法沒有上述方法更貼近齒輪實際工作情況，但可以代表輪齒交變受載，優點是試驗效率高、試驗成本低。

為了提高試驗效率，通常更多采用脈動疲勞試驗機+專用齒輪加載夾具的單齒加載試驗方式來進行齒輪彎曲疲勞壽命試驗。脈動疲勞試驗機是通用成熟產品，試驗夾具是專門為齒輪彎曲疲勞試驗而研制，是保證試驗結果可靠性的關鍵。原因是：試驗載荷能否均勻加載到被試齒輪整個齒寬和正確位置上，將直接影響齒輪彎曲疲勞試驗結果，以下對這兩部分分別進行簡要介紹。

（1）脈動疲勞試驗主機 脈動疲勞試驗機制造技術在我國已相對成熟，用于齒輪典型的電磁激勵共振性疲勞試驗機如圖10所示，主要性能參數見表2。

表2 高頻疲勞試驗機參數

（2）專用試驗夾具 高頻疲勞試驗機是一種通用設備，要完成齒輪彎曲疲勞壽命試驗，需要配備專門的試驗夾具。夾具的作用是保證在試驗過程中輪齒加載的大小和位置準確，載荷能在齒寬方向上均勻分布。因此疲勞試驗專用夾具的設計是試驗成功與否的關健。

圖3 高頻疲勞試驗機

專用夾具需保證按齒輪強度評價標準位置加載，且保證齒寬方向加載均勻性。目前GBT 14230——1993規定了兩種齒輪彎曲疲勞的試驗夾具存在一定的問題：

加載壓頭剛度過好，這樣可以確保斷齒而不至于使壓頭壓潰，但是齒輪必然存在加工和安裝誤差，由于壓頭沒有適應能力，很容易導致輪齒局部受載，從而造成輪齒局部折斷或者輪齒斷面出現較大傾斜（見圖4），致使試驗數據離散性很大。這種離散不是由于材料本身缺陷造成，而是由于夾具加載不均造成的。

圖4 受載不均勻的斷齒

為解決這一問題，已研制出一種新型彎曲疲勞夾具，新型夾具具有自適應齒輪的加工及安裝誤差的功能，因此能保證試驗載荷均勻加在被試齒輪整個有效齒寬上，同時保證加載位置準確，以確保齒輪彎曲疲勞試驗數據的可靠性。

新型夾具試驗輪齒的斷口形貌見如圖5所示，試驗輪齒的斷面形狀規則，斷齒部位在齒根圓角部位。

圖5 新型夾具斷口形狀

4.試驗齒輪設計與制造

齒輪疲勞壽命試驗屬于基礎共性試驗，試驗結果將用于各種不同參數的齒輪設計，因此，試驗齒輪非產品齒輪。齒輪尺寸及精度要求不同于產品齒輪，但對于影響齒輪基本疲勞特性的材料、熱處理工藝等，需要與產品齒輪生產條件相同。對于不同的試驗目的，試驗齒輪的設計要求不同。試驗齒輪設計是否合理、制造是否符合規范，將直接決定試驗能否完成，以及試驗結果是否可用。

針對行業需求，國內已有科研單位通過與先進國家權威機構合作，學習、引進并消化掌握了齒輪疲勞壽命試驗齒輪的設計精髓和加工制造過程中應遵循的規則和要求，因此具備了根據用戶試驗目的和用戶產品特點進行試驗齒輪設計和指導企業進行試驗齒輪加工的能力。此基礎上自主開發了齒輪疲勞壽命試驗齒輪設計軟件，軟件界面如圖6所示。該軟件可用于進行接觸和彎曲疲勞試驗齒輪的優化設計和應力水平的計算。

圖6 試驗齒輪參數與試驗應力設計系統

5.數據處理方法及軟件

齒輪疲勞壽命試驗不同于針對變速器總成的性能或耐久試驗，其試驗結果需要進行處理后才能用于設計軟件的輸入，對試驗數據的分析和處理是決定試驗結果能否正確應用的關鍵。國內已有研究院所對齒輪疲勞壽命試驗結果的處理方法進行了深入研究，并在此基礎上自主編制了一套軟件，專門供試驗人員進行齒輪應力計算，且根據不同的試驗方法和實際測試結果，自動計算和繪制齒輪R-S-N曲線，完成從試驗數據到設計可用數據的轉化過程。

齒輪傳遞誤差測試技術與設備

1.齒輪傳遞誤差測試發展情況概述

齒輪傳動誤差是機械傳動鏈中振動、噪聲的主要激勵源，是檢測齒輪嚙合質量的重要指標。傳動誤差試驗可以幫助設計人員進行齒輪的修形設計提供試驗依據，以達到降低振動噪聲的目的。

齒輪傳遞誤差測試從測試方式上可分為空載和帶載測試，從測試對象上可以分為單對齒輪和傳動系統總成。在我國研究較早的大部分為空載單對齒輪傳遞誤差測量，適宜于齒輪幾何形狀與傳遞誤差關系的理論研究，因此多用于高校和研究機構。

隨著人們對傳動系統（如汽車變速器）振動噪聲性能要求的提高，企業迫切需要解決實際產品的振動噪聲問題，因此需要測試齒輪在受載變形后的傳遞誤差測試結果。帶載傳遞誤差測試屬于重載高精度測量，難度很大。國際上也只有極少幾家公司可以提供此類設備。在國內用戶的強烈需求推動下，近幾年，我國在齒輪傳遞誤差測試設備研發方面取得了突破性進展，2016年國內首臺帶載傳遞誤差試驗臺研制成功并在汽車變速器企業得到應用，試驗設備技術水平達到了國際先進行列，滿足了汽車變速器企業的需求。

2.齒輪傳遞誤差測試技術與設備

齒輪傳遞誤差需要在專用試驗臺上進行測試，并通過專門軟件進行分析。針對汽車變速器的傳遞誤差測試，目的是找到引起變速器嘯叫的根源，以便從根本上解決變速器嘯叫問題。

傳遞誤差檢測結果可與設計模擬軟件相結合分析，優化齒廓修形，主動降低NVH問題產生的可能性。對于存在NVH問題的變速箱，幫助確定激勵源。通過實際測試結果驗證及優化軟件分析模型，提高設計模擬軟件分析結果的可靠性。

傳遞誤差測量方式分為空載、加載條件下的單齒和系統測量。檢測齒輪在實際受載情況下的傳遞誤差值，需要采用加載測量方法。另外，由于傳遞誤差與齒輪轉速沒有直接關系，特別是傳遞誤差頻譜相對嚙合齒頻階次成分，與齒輪轉速沒有關系，為保證所測傳遞誤差值不受振動等因素的影響，齒輪傳遞誤差采用在低速運轉下測試。

我國自主研制的典型的齒輪傳遞誤差試驗臺，采用雙電動機結構，配備高精度低背隙減速箱，采用高精度圓光柵及自主專有角度測量技術，實現加載工況下的高精度傳遞誤差檢測。其功能、特點如下。

（1）單對齒輪實際工況模擬測試 試驗臺可直接安裝單對齒輪，進行傳遞誤差測試，減少了軸系變形等不可計量因素的影響，可用于齒輪傳遞誤差與齒輪設計參數、加工質量之間的關系研究。同時該試驗臺還能夠模擬齒輪在變速器中的實際錯位情況，通過集成齒輪軸線夾角高精度調整和測量系統，試驗人員只需將齒輪錯位量輸入試驗臺軟件對應窗口中，軟件便可自動計算出調整量，指導操作人員進行齒輪角度調整。

因此，本試驗臺可用于研究齒輪修形、制造誤差、錯位量及加載大小等因素對齒輪傳遞誤差的影響；可模擬齒輪在整箱中實際受載和錯位情況下測量傳遞誤差；可用于驗證設計模擬軟件分析結果。

（2）移動型角度測量單元 對于需要安裝變速器整箱測試的工況，除主機上安裝的角度測量單元，試驗臺配置移動型角度測量單元，在變速器總成測量時，可將移動型測量單元直接安裝在待測軸端（非加載端），最大限度減小軸系變形對轉角測量的影響，獲得準確的傳遞誤差數值。通過直接在變速器中對指定變速器齒輪副傳遞誤差進行測量，可以幫助對有問題變速器的問題根源確定。

（3）專有高精度角度測量技術 進行高精度的傳遞誤差測試，首先需要選擇高精度的角度傳感器，但更關鍵的是如何保證其最終實際測量精度，即綜合測量精度。為此該試驗臺采用了下列精度控制技術與措施，確保測量數據的可信度及結果分析可靠性。

1）精密回轉軸系的設計：通過精密測量系統設計、機構調節、安裝調試，保證光柵主軸的高回轉精度。

2）機械回轉機構誤差消除技術：采用軟硬件結合的設計方案與技術，消除光柵回轉偏心誤差。

電路抗干擾能力：通過專門研制的告訴信號采集系統，保證傳感器采集信號的穩定可靠。

3）系統誤差標定技術：采用專門設計高精度標定組件，對試驗臺系統誤差進行標定，并在試驗結果中進行分離。

（4）雙閉環控制技術 試驗臺基于矢量變頻控制，采用轉速、轉矩雙閉環，轉速和轉矩穩定性好，特別是低速穩定性，其具體指標如下：轉速穩定性≤±0.1r/min；轉矩穩定性≤1%FS；可穩定工作最低轉速≤1r/min。

（5）數采系統高性能 試驗臺采用美國N IFPGA板卡，自行設計開發信號預處理系統及采集軟件，經長期使用驗證，可靠性好。角度采樣頻率40～100MHz，轉速、轉矩采樣頻率4MHz，傳感器信號采集同步性可控制在0.01μs。

（6）電控系統抗干擾 傳動誤差的高精度高頻測量，對電控系統的抗干擾能力要求極高，稍有干擾，就可能導致測量信號失真。該試驗臺采用強弱電分離、多層屏蔽等多項技術，大大提高了電控系統的抗干擾能力，確保測量可靠性。

（7）數據分析軟件 傳遞誤差數據分析軟件功能包括：數據整理、誤差補償、數據濾波、時域分析及頻域分析等，軟件可輸出時域測試結果、頻域分析結果，并按照齒頻階次顯示。

圖7～圖9 所示為我國自主研制的多功能齒輪傳遞誤差試驗臺及試驗臺控制軟件和數據處理軟件界面。

圖7 多功能齒輪傳遞誤差試驗臺

圖8 齒輪傳遞誤差試驗臺控制軟件參數設置界面

圖9 齒輪傳遞誤差試驗臺數據處理軟件界面

結語

隨著我國汽車行業的快速發展，我國汽車傳動系統試驗與檢測技術水平得到了空前推進。通過自主研發和引進技術的消化吸收，我國自主研制的測試裝備水平不斷提高，但仍與國際先進水平有一定差距。因此，我們應不斷加強汽車傳動系統試驗測試技術研究和裝備研制，以滿足我國汽車行業發展的迫切需要，促進該領域向高端化、高精度、智能化發展，向國際先進水平看齊。