某重型變速箱異響故障分析與研究

陳俊巖，胡佑斌，秦正健，曹德斌

某重型變速箱異響故障分析與研究

陳俊巖，胡佑斌，秦正健，曹德斌

（中國重型汽車集團有限公司，山東 濟南 255000）

重型變速箱在商用車的傳動系統中占重要地位，其好壞能直接影響到駕駛的舒適性和操縱性。為適應商用車大功率發動機的發展趨勢及匹配需要，文章通過分析某重型變速器齒輪傳動的結構與特點，最后歸納了變速箱的常見故障及原因分析，提出了在變速器設計中的主軸浮動及潤滑措施，為變速箱異響故障診斷、變速箱設計提供依據和參考。

重型變速箱；齒輪傳動；故障診斷；異響分析

重型汽車傳動系中，發動機輸出的動力通過離合器傳遞給變速器，變速器將其改變為合適的速比后經過傳動軸、主減速器、差速器、半軸傳遞到車輛的驅動輪，在這一過程中其速比變化主要依賴于齒輪傳動實現[1]。由于重型車輛工作條件惡劣，變速器載荷大、擋位多，因而其故障頻率較高，給廠商和消費者帶來損失。為了減少變速器故障的出現，對故障快速定位，本文通過分析某重型變速器齒輪傳動的結構與特點，對該變速箱總成異響故障進行分析與研究。

1 變速器結構與特點

重型變速器為閉式齒輪傳動，其主箱結構有單中間軸和雙中間軸，如中間軸結構，重汽HW變速器常見的結構為雙中間軸結構。變速器后副箱的結構有雙ZF系列常見的結構為單中間軸結構和行星結構傳動，如ZF及重汽HW系列常見的結構為行星傳動結構，解放系列變速器常見的結構為雙中間軸結構。

本文分析的變速箱總成由雙中間軸+行星輪系構成，如圖1所示。雙中間軸結構設計中，主軸齒輪靠中間軸齒輪定位，其振動量比定軸輪系要大。因此，正常運轉過程中噪音也相應大一些，如果噪音過大，出現轟鳴聲、尖叫聲等，則其運動件可能出現失效，如齒輪、軸承。

圖1 雙中間軸+行星輪系

2 失效形式及原因分析

2.1 噪聲發生機理

重型變速器的動力傳遞主要是通過輪齒共軛齒面連續的相互作用實現的[2-3]。重型變速器中噪聲的主要來源有：齒輪系統本身齒輪嚙合的動態激勵、變速器本體的振動、負載變化等[4-5]。因此，當發生變形和誤差導致非理想狀態的齒輪嚙合是變速器異響的主要原因，外部原因可能由于發動機、離合器或傳動軸的振動傳遞到變速器的輸入軸或輸出軸上，使變速器產生諧振，使噪聲進一步被放大，噪聲發生機理如圖2所示。

圖2 噪聲發生機理

2.2 齒輪受力分析

受力情況分析：直齒齒輪輪受力只在兩齒輪嚙合時會產生力的作用，嚙合齒的受力情況如圖3所示，n的方向為嚙合點的法線方向。

式中，t為圓周力；n為法向力；r為徑向力；1為齒輪傳遞的轉矩；1為分度圓直徑；為嚙合角。

圖3 外嚙合平面受力圖

2.3 失效形式及故障研究

2.3.1齒輪失效

變速器齒輪系統中零部件結構及相互連接關系是一個復雜的彈性機械系統，齒輪的主要失效形式為點蝕、磨損、折斷、膠合[6]。

齒面點蝕：變速器作為閉式傳動系統，齒面接觸應力是交變的，在接觸應力反復作用后，齒面會產生微小裂紋，同時在齒輪的不斷擠壓下潤滑油壓上升導致裂紋增大，齒面金屬脫落或形成小麻坑，根據章節2.2中對齒輪嚙合受力情況的分析，這一現象主要出現在靠近節線的齒根面處。

齒面磨損：齒面間有硬屑進入，嚙合時在徑向力為r產生相對滑動摩擦造成磨損，導致齒形變瘦。

齒面膠合：低速重載時潤滑油膜破裂，在摩擦力作用下產生局部高溫進而出現冷焊粘著，齒輪繼續轉動導致粘焊處撕裂，形成溝痕，如圖4所示。

圖4 齒輪失效

輪齒折斷：折斷可分為疲勞折斷和過載折斷兩種。疲勞折斷可以根據折斷面痕跡來觀察，其分為靜力破壞和疲勞破壞，即在折斷區域會呈現光滑區和粗糙區兩種痕跡。

根據齒輪的失效形式可以確定齒輪的計算準則，對變速器進行設計時考慮失效形式為接觸疲勞磨損、彎曲疲勞折斷和膠合，因此，必須進行接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度設計。

直齒圓柱齒輪的彎曲疲勞強度必須滿足：

設計計算式為

（3）

齒面接觸疲勞強度必須滿足：

設計計算式為

2.3.2軸、軸承失效

引起變速器異響除齒輪本身失效之外，還有軸及軸承，雙中間軸結構中，軸主要作為傳動軸使用，既傳遞扭矩又要承受來自齒輪的徑向力。因此，在低速重載時副軸產生的扭曲變形、彎曲變形過大都會影響雙副軸的齒輪嚙合，產生尖叫和轟鳴聲，副軸結構如圖5所示。

圖5 副軸結構

軸承主要作用為對齒輪軸的徑向或軸向定位，承受來自齒輪軸的徑向力和軸向力，如圖5中副軸依靠左右兩個滾子軸承進行定位。正常情況下，軸承的主要失效形式為點蝕、滾子和滾道磨損、軸承的保持架散架、滾子破裂等。滾子所受力為法向力和摩擦力，法向力造成滾子和滾道的點蝕，所受的切向摩擦力造成滾子和滾道的磨損。

點蝕的產生會使變速器總成在高速運轉時產生尖叫聲。磨損的出現會造成相嚙合齒輪的中心距增大，使負荷作用在齒頂上，產生咔嚓聲，這種情況還可能引起輪齒的折斷。整個過程貫穿于變速器的使用壽命周期，持續時間長。較大的軸承點蝕在低速時可能表現為輕微的敲擊聲，在高速時產生尖叫。低速重載時也會引起滾子或滾道變形、保持架斷裂，造成軸承的早期損壞，產生轟鳴聲，軸與軸承的失效形式如圖6所示。

圖6 軸與軸承失效形式

2.4 故障判斷與研究

2.4.1噪音、振動和聲振粗糙度分析

通過信號分析儀對變速箱建立機械振動參考基準，通過比較當前的測試的產品與參考基準將產生的偏差模式，判斷被試產品是否有缺陷。

針對齒輪異響分析主要使用階次分析（Order Analysis, OA）方法，齒輪副嚙合階次的振動超過一定限值時，輻射出嘯叫聲。

齒輪嚙合的階次計算為

式中，為齒輪副嚙合階次；為主動齒輪齒數；1為齒輪轉速；2為參考軸轉速。

首先采集變速箱運行中的時域信號，根據時域信號可以觀察幅值、相位，但無法得到頻譜信號。因此，對該信號進行快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform, FFT）運算，得到譜線信號，根據譜線信號在各階次的振幅，可以得出變速箱有無異響。如圖7所示，圖7(a)中虛線代表上偏差，圖7(b)實線為測試后得到的譜線，比較譜線信號在各階次的振幅是否超過上偏差，可以得出變速箱有無異響。

圖7 譜線

2.4.2故障判斷

各種失效形式的過程都會貫穿于變速器的使用壽命周期，持續時間很長，在這一過程中變速器會產生異響，本文經過長時間實驗分析，根據異響的聲級和頻率將其歸類為敲擊聲、尖叫聲、轟鳴聲、咔嚓聲，如表1所示。此外，將異響的頻率與變速器的輸入轉速作比較，頻率低于輸入轉速時有咔嚓聲，接近輸入軸轉速的有敲擊聲、轟鳴聲，大于輸入軸轉速時有尖叫聲。

根據2.3.1中齒輪的受力分析，可以對齒輪的失效過程進行判斷，如圖8所示。

表1 故障判斷與研究

異響類型故障類型判斷 敲擊聲由齒面磕碰造成的，可由齒面強力壓研后出現的亮點來鑒別。當齒輪承受載荷時，這種噪聲就更顯著，因此，當掛上某一擋就產生噪聲時，說明這一擋的齒輪有問題，這種磕碰可用油石或手砂輪磨平 尖叫聲由齒輪的不正常嚙合造成的，主要原因為齒面點蝕或輪齒變形、軸承點蝕等 轟鳴聲對齒不正確、副軸齒輪在副軸上轉動、齒輪嚴重變形、輪齒折斷或其他零件嚴重損壞 咔嚓聲由軸承或齒輪間的嚙合間隙過大造成，當扭矩變換方向時會產生咔嚓聲。副軸軸承的徑向間隙過大，會引起軸的中心距增大使負荷作用在齒頂上，這種情況會引起輪齒的折斷

根據2.3.2中軸承的受力分析，可以對軸承的失效過程進行判斷，如圖9所示。

圖9 軸承正常失效過程

2.4.3設計改進

為提高變速箱使用可靠性，防止異響發生，可以在變速箱設計之初就針對可能出現的失效形式進行設計改進。

重型變速箱的主箱雙中間軸結構設計，可以實現功率分流，主軸齒輪承受兩個中間軸齒輪徑向力大小相等，方向相反的力，使主軸只承受扭矩，不承受彎矩，消除了主軸變形引起的齒輪嚙合區的破壞，可以有效降低齒輪嚙合的噪音。主軸齒輪在設計中，可以使齒輪在主軸呈現徑向浮動狀態，可以更好地滿足正確嚙合并使載荷盡可能地平均分配，主軸齒輪浮動設計如圖10所示。

圖10 主軸齒輪浮動

齒輪嚙合過程為線性接觸，承受力比較大，容易產生齒面變形和升溫、以及軸的扭曲或變歪現象。因此，在變速箱設計中必須選取合適的潤滑方式，如圖11所示，可以使用強制潤滑和齒輪飛濺潤滑相結合的潤滑方式，利用油泵將潤滑油強制輸送到各關鍵元件，使軸承及齒輪得到潤滑冷卻。

圖11 潤滑油路

2.4.4工藝改進

異響故障的發生，除了設計原因以及使用過程導致的失效，其工藝、質量方面也占有很大原因，如裝配偏心，裝調不到位，加工工藝精度不高等。

針對某變速箱公司近期試車過程的數據進行統計分析，試車異響故障率百萬分之一（Parts Per Million, PPM）值為7 000，對異響變速箱進行拆解確認，故障類型如表2所示。

表2 故障拆解

故障類型數量/個占比/% 磕碰傷6258.49 尺寸超差1413.21 裝調不到位2220.75 其他87.55

因此，針對異響問題，質量方面可以從產品供方到貨、物流、裝配等全過程進行現場調查分析改進，同時開展專項稽查和審核，優化產品尺寸檢測方式；工藝方面可以通過程流程圖、過程失效模式及后果分析（Process Failure Mode and Effects Analysis, PFMEA）、控制計劃、作業指導書等文件，使現場實現標準化作業。

3 結束語

對于重型變速箱運轉過程中的異響，本文通過對汽車基本構造和原理的分析，進一步研究重型變速器齒輪傳動及各構件的結構與特點，最后歸納了導致變速箱異響出現的原因，并對常見故障進行判斷與研究，可以為變速箱異響故障診斷、變速箱設計提供依據和參考。

[1] 李敬杰.重型卡車變速器齒輪傳動方案設計及仿真分析[J].機械管理開發,2021,36(12):115-117.

[2] 高原,鞠麗,李文新.汽車變速器齒輪類零件的鍛造[J].鍛造與沖壓,2022(13):26-28.

[3] 張蘭生,紀建奕,楊朝會,等.機床齒輪箱變速器振動特性分析及優化研究[J].機床與液壓,2022,50(18): 15-20.

[4] 楊罡.汽車變速器齒輪噪聲與振動傳遞特性研究[D].濟南:山東大學,2021.

[5] 雷剛,王虎銀,劉子謙,等.變速器齒輪微觀修形對振動響應的影響研究[J].重慶理工大學學報(自然科學),2022,36(3):86-94.

[6] 劉祖飛.基于齒輪修形的變速器嘯叫治理[D].長春:吉林大學,2017.

[7] 邊鵬,胡凱.某重型變速器副箱異響故障分析及改進[J].重型汽車,2020(1):27-29.

[8] 岳會軍,張堯,李洪彪,等.變速器齒輪振動機理及修形減振降噪方法[J].北京航空航天大學學報,2017,43 (10):2003-2010.

[9] 王澤貴,周益,周觀鵬,等.變速器嘯叫聲與下線臺架振動的相關性試驗研究[J].振動與沖擊,2012,31(23): 180-184.

Analysis and Research on Abnormal Noise Fault of a Heavy Duty Transmission

CHEN Junyan, HU Youbin, QIN Zhengjian, CAO Debin

( China National Heavy Duty Truck Group Company Limited, Jinan 255000, China )

Heavy duty transmissions play an important role in the transmission system of commercial vehicles, as their quality directly affected driving comfort and handling. In order to adapt to the development trend and matching needs of high-power engines in commercial vehicles, this article analyzes the structure and characteristics of a heavy-duty transmission gear transmission, and finally summarized the common faults and cause analysis of the gearbox, The spindle floating and lubrication measures in the transmission design are proposed. This can provide a basis and reference for the diagnosis of abnormal noise faults in the gearbox and the design of the gearbox.

Heavy duty transmission; Gear transmission; Fault diagnosis; Abnormal noise analysis

TH132

A

1671-7988(2023)18-62-05

陳俊巖（1984－），男，碩士，工程師，研究方向為變速箱設計與開發，E-mail:1214690374@qq.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.018.013