某混合動力變速箱主減齒輪點蝕仿真分析及優化

Simulation Analysis and Optimization of Pitting of Main Reduction Gear in a Hybrid Power Transmission Box

Zhang Qing Jiangling Motors Co.，Ltd.，Nanchang，Jiangxi Province 240624，China

Abstract：Withtherapiddevelopmentofhybridelectricvehiclesandtherapidgrowthofmarketownership，thepitingfailure issueofthemainreductiongearinthehybridtransmisiontheyareequippedwithunderhigh-frequencyvariableoadsandmulti-conditionswitchinghasbcomethecorebotleneckrestrictingsystemreliability.Takingthemainreductiongearofahybridtransmissionas theresearchojet，tispaperproposssolutiosfromaspectssuchsaterialandsurfacetreatmentotiization，ubricatioroe ment，andmicro-modifcationparameters.Theefectivenessoftheimprovementmeasuresisverifiedthroughexperimentsandsimulations，providing a theoretical basis and engineering reference for the reliability design of hybrid transmissions.

Key words：Hybrid transmision;Mainreduction gear;Pitingfailure;Optimizationanalysis;Toth profile modification;Fatigue life

1前言

混合動力系統通過內燃機與電機的動力耦合，實現燃油經濟性提升 30% 以上，但主減齒輪作為動力傳遞的“最后一公里”核心部件，面臨比傳統變速箱更嚴苛的工況挑戰：低速大扭矩（峰值扭矩達 315N?m， ）、高頻啟停（城市工況啟停15次 /min ）、混動模式切換時的扭矩沖擊（波動幅度 ±20% ），導致齒面接觸應力循環頻次較傳統齒輪提升 40% ，點蝕失效風險顯著加劇。點蝕不僅會引發振動噪聲，還可能導致齒輪斷裂，嚴重影響整車可靠性[1-2]。

本文以某運動型多功能乘用車（SUV）搭載的混合動力變速箱主減齒輪為研究對象，通過材料優化、潤滑系統改進及微觀修形的協同設計，提出了一種系統性解決方案。

2點蝕失效機理分析

2.1載荷分布與偏載效應

混合動力變速箱在整車運行中，主減齒輪的載荷特性呈現顯著動態變化：低速起步時需承受 315N?m 的峰值扭矩，而在混動模式（純電-混動-燃油）切換時，行星齒輪組的扭矩分配誤差可達 15% ，直接導致齒面局部載荷集中。同時，混動系統日均啟停次數超200次，高頻率的載荷循環加速了齒面疲勞損傷。

輕量化設計帶來的殼體剛度問題進一步加劇偏載效應3。混合動力變速箱普遍設計常采用鋁合金殼體（彈性模量僅 70GPa ，約為鋼材的1/3），在 315N?m 高扭矩作用下，軸承座處殼體最大變形量達 0.12mm ，導致齒輪軸線平行度偏差 0.08mm ，從而引發齒面偏載。某純電重卡變速器的失效案例顯示，此類偏載使一檔齒輪接觸應力集中區域的點蝕萌生時間縮短至正常工況的60% ，且點蝕坑主要分布在齒面邊緣。

2.2潤滑失效與材料疲勞

2.2.1潤滑系統失效機制

微點蝕的形成與齒面潤滑、潤滑劑化學成分密切相關[4]。混合動力變速箱集成電機與齒輪箱，使潤滑環境兼具“高溫、高速、高污染”特征：電機運行產生的熱量使油溫最高可達 120^qC ，傳統GL-5齒輪油在此溫度下氧化誘導期從 250min 降至 80min ，黏度指數下降25% ，油膜承載能力降低 30% 。通過Reynolds方程計算可知，油膜厚度從常溫下的 1.5μm 降至 0.8μm ，小于齒面粗糙度（ 1.2μm ），導致金屬直接接觸。

此外，原潤滑系統采用單側噴油布局，嚙入端供油流量較嚙出端低 35% ，局部油膜破裂率達 40% ；同時，油液過濾精度僅 20μm ，金屬磨粒濃度易超 20mg/L ，加速齒面磨粒磨損與點蝕萌生。

2.2.2材料與工藝缺陷影響

滲碳淬火工藝參數控制不當也是導致點蝕的重要原因。主減齒輪滲碳層深度不足，且存在連續網狀碳化物，導致齒面硬度分布不均，接觸疲勞強度下降 30%^[5] 。此外，磨削燒傷會在齒面形成二次淬火層，產生殘余拉應力，加速裂紋擴展6。圖1展示了偏載情況下的齒輪點蝕情況。

圖1偏載情況下的齒輪點蝕

3主減齒輪點蝕的診斷與分析方法

3.1振動信號監測與階次分析

采用“傳感器布局-信號處理-特征識別”三級診斷流程：在整車或臺架試驗過程中，在變速箱殼體靠近主減齒輪處布置3個加速度傳感器（采樣頻率 5120Hz ，采集振動信號后通過db4小波包進行4層分解，提取100～500Hz 頻段的特征信號，結合試驗前后振動階次分析可快速定位異常失效齒輪。

結合階次分析識別故障特征：主減從動齒輪（28齒）的28階特征頻率及邊頻帶為核心監測指標，定義“點蝕嚴重度指數”：

式中， ?.A_s 為邊頻帶面積； A₀ 為基頻面積； 為振動有效值， σ₀ 為初始有效值。

試驗表明，當 I_pgt;1.5 時，可判定為早期點蝕，預警準確率達 92% 。某變速器試驗中，通過階次譜圖發現28階振動能量較初始值提升3倍，邊頻帶幅值異常，結合MASTA仿真證實接觸疲勞安全系數不足1.1。

3.2有限元仿真與接觸應力計算

基于MASTA與ABAQUS建立耦合仿真模型：MAS-

TA構建齒輪傳動系統動力學模型（包含12個齒輪、8個軸承），網格劃分采用六面體單元，網格尺寸 2mm ，邊界條件設置為軸承座全約束、輸入軸施加扭矩載荷；ABAQUS計算殼體變形，將變形結果作為MASTA的邊界條件反饋。最后通過仿真分析的結果對齒輪應力集中及偏載進行早期評估及預警。

某混合動力變速箱基于MASTA軟件建立齒輪傳動系統模型，仿真結果顯示，主減齒輪當輸入扭矩達到315N?m 時，其接觸偏載，接觸位置往齒輪一端集中，齒面接觸應力分布不均，邊緣接觸應力峰值達 2035MPa ，如圖2所示。這種偏載效應加速了齒面微裂紋的萌生與擴展。

圖2優化前主減齒輪接觸應力

3.3材料檢測與金相分析

采用“宏觀觀察-微觀表征-性能測試”的檢測體系：首先通過體視顯微鏡觀察失效齒輪的點蝕坑分布（多位于齒面中上部），隨后采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察微觀形貌，早期點蝕坑呈橢圓形（長軸 20μm ，深 5～ 10μm ），擴展階段伴隨裂紋分叉，如圖3所示。

圖3齒輪點蝕微觀形貌

金相分析采用 4% 硝酸酒精腐蝕，通過光學顯微鏡觀察滲碳層組織：優化前齒輪滲碳層存在連續網狀碳化物，次表面回火區硬度驟降（從58HRC降至35HRC）。顯微硬度測試采用HV1載荷，沿齒面法線方向每0.1mm 測試1點，硬度梯度曲線顯示優化前滲碳層硬度衰減速率是優化后的2倍。酸蝕法可快速識別磨削燒傷：燒傷區域呈暗黑色，與正常區域形成明顯界限，篩查準確率達 95% 。

4復合優化方案設計

4.1材料優化與表面處理

4.1.1材料升級

采用20CrMnTiH滲碳鋼替代傳統20CrMnTi，兩種材料性能對比見表1。

滲碳工藝優化為“階梯式滲碳 + 等溫淬火”： 900^qC 強 滲（碳勢 0.9%C，4h 中 880^°C 擴散（碳勢 0.75%C，2h） 850^qC 油淬 180^°C 低溫回火，滲碳層深度從 0.6mm 增 至 0.8mm ，網狀碳化物率降至 lt;5% 。

表1齒輪材料性能對比

4.1.2表面強化處理

新增離子滲碳氮復合處理：工藝參數為520°C，0.1MPa 、氨氣流量 0.5L/min ，保溫 ^4h ，形成0.3mm 厚的碳氮共滲層，表面硬度達 650～700HV ，摩擦因數從0.18降至0.03，有效抑制黏著磨損與微點蝕萌生。

4.2潤滑系統改進

4.2.1潤滑劑配方優化

優化潤滑油配方，采用PAO基礎油復配功能添加劑：硫磷型極壓劑（質量分數 3% ）提升抗磨損性能，黏度指數改進劑 （5% 增強高溫穩定性，防銹劑 （1%） 抑制腐蝕。優化后潤滑油 120^qC 高溫黏度從 5.8cSt 升至7.2cSt ，氧化誘導期延長至 180min ，四球試驗磨斑直徑從0.45mm 降至 0.32mm 。

4.2.2潤滑結構優化

重構油路系統：采用“雙側噴油 + 端面油槽”設計，新增嚙入端噴油嘴（流量 1.2L/min） ，與原有嚙出端噴油嘴形成對稱供油;齒輪端面開設螺旋油槽（導程 10mm ），引導油液均勻覆蓋齒面。油液過濾精度提升至 10μm ，磨粒濃度控制在 lt;5mg/L 。

4.3微觀修形參數優化

基于MASTA進行修形參數多目標優化，以接觸應力最小、疲勞壽命最長為目標，建立優化模型，采用遺傳算法求解，確定最優參數：齒向鼓形量 15μm （拋物線鼓形）、齒頂修緣量 5μm （圓弧修緣）、齒廓修形量 3μm （線性修形）。修形后接觸印痕長度從齒寬的 60% 增至90% ，邊緣應力集中現象顯著改善。

4.4仿真校核

優化前后關鍵參數對比見表2，安全系數從1.06提升至1.35，滿足GB/Z3480.22—2024《直齒輪和斜齒輪承載能力計算第22部分：微點蝕承載能力計算》的要求。

表2主減齒輪優化前后關鍵參數對比

優化后輸入扭矩315NM時，齒面接觸應力分布均勻性提升 40% ，最大接觸應力降低到 1900MPa ，如圖4所示。疲勞壽命通過Miner法則計算，從 5×10⁷ 次提升至 1.2×10⁸ 次。

圖4優化后主減齒輪接觸應力

5試驗驗證

5.1臺架驗證

根據GB/T14229—2021《齒輪接觸疲勞試驗》對齒輪優化后混合動力變速箱進行臺架驗證。

在混合動力變速箱綜合試驗臺上，模擬城市工況（啟停頻率15次 /min ，扭矩波動 ±20% ，油溫 80～120^°C 循環），進行 1000h 耐久性測試，同步監測振動信號、油液參數及齒面狀態。

試驗結果顯示：優化前齒輪運行 500h 后，齒面出現明顯點蝕（最大坑深 80μm ，面積占比 5% ），振動有效值從 升至 ，油液鐵含量達 21.5mg/L ；優化后齒輪運行 1 000h 后，齒面僅輕微磨損（表面粗糙度 R_a 從0.8μm 升至 1.0μm ），無擴展性點蝕，振動有效值穩定在 0.3g 以下，油液鐵含量僅 4.2mg/L （圖5）。

圖5主減齒輪優化后無擴展性點蝕

5.2整車道路試驗

根據GB/T12534《汽車道路試驗方法通則》對齒輪優化后混合動力變速箱進行整車驗證。

在多試驗場開展等效24萬 km 綜合試驗：重慶西部汽車試驗場（山路占比 30% ，坡度 15^° ）驗證爬坡工況，吐魯番高溫試驗場（ 45°C 驗證高溫穩定性，黑河低溫試驗場 （-30^°C） 驗證低溫啟動性能。

試驗時長4個月，拆解檢查顯示齒輪接觸印痕均勻（占齒寬 92% ），滲碳層無剝落，碳氮共滲層完整性良好，充分驗證優化方案的有效性。

6結語

通過材料及表面處理優化、潤滑改進、微觀修形參數優化，可有效解決運動型多功能乘用車（SUV）混合動力變速箱主減齒輪點蝕問題[7]。材料方面，20CrMnTiH與碳氮共滲的組合提升了接觸疲勞強度；潤滑系統的配方與結構改進保障了油膜穩定性；微觀修形優化了應力分布。改進后的齒輪在臺架試驗和實際應用中表現出優異的抗點蝕性能，為混合動力汽車的可靠性設計提供了技術支撐。

本文未考慮齒輪制造誤差（如齒形偏差 ±0.01mm ））對修形效果的影響，未來可結合數字化制造技術開展“設計-制造-服役”全鏈條優化。此外，納米添加劑在長周期服役中的性能衰減機制仍需深入研究，可通過分子動力學模擬揭示其抗點蝕本質，進一步提升齒輪可靠性。

參考文獻：

[1]王國權，李建輝，張磊.混合動力變速箱主減齒輪接觸疲勞失效機理及防治策略[J].機械工程學報，2023，59（18）：210-218.

[2]趙永強，劉鵬，陳晨 20CrMnTiH 滲碳鋼齒輪滲碳工藝優化與疲勞壽命研究[J].材料熱處理學報，2022，43（7）：165-172.

[3]GB/T3480.1—2019直齒輪和斜齒輪承載能力計算第1部分：基本原理、概述和接觸強度計算[S].

[4]孫曉峰，吳偉，黃慶學.齒輪微觀修形對接觸應力分布的影響及多目標優化[J].中國機械工程，2021，32（15）：1813-1820.

[5]張宏偉，李響，王健.混合動力變速箱集成潤滑系統設計與試驗研究[J].汽車工程，2023，45（5）：612-618.

[6]ISO 6336-5：2O03 Calculation of load capacity of spur and helicalgears-Part5：Strengthand qualityofmaterials[S].

[7]陳立，周仲榮，李霞.納米添加劑齒輪油的抗點蝕機理及應用研究[J].摩擦學學報，2022，42（3）：489-498.

作者簡介：張慶，男，1994年生，助理工程師，研究方向為新能源動力系統。