齒輪是汽車變速器核心動力傳動部件，齒輪壽命直接關(guān)系到變速器的工作性能和使用壽命。本文以某變速器為研究對象，針對其在疲勞壽命試驗中出現(xiàn)的問題，采用齒輪振動分析方法，快速定位失效部件，預測失效模式，進而早期中止測試，避免樣品過度損壞，有效提高設(shè)備利用率，縮短產(chǎn)品驗證周期。從理論計算、試驗及材料分析等角度查找齒輪點蝕原因，總結(jié)磨削燒傷對齒輪點蝕、剝落的影響，并介紹了一種齒輪磨削燒傷的抽檢方法。

　　1 引言

　　齒輪是變速器中傳遞動力的重要零件。在運轉(zhuǎn)過程中其齒面承受接觸應力，齒根承受彎曲應力。常見的失效形式是齒面點蝕和輪齒折斷。而齒面點蝕與其制造工藝、微觀組織、熱處理工藝等密切相關(guān)。磨齒是熱處理后保證齒輪精度的精加工工序，齒輪在磨削加工過程中與砂輪的接觸區(qū)產(chǎn)生瞬時高溫，大部分熱量直接傳到工件表面，很容易使工件表層金相組織、表層硬度發(fā)生改變，同時產(chǎn)生殘余(拉)應力，這種現(xiàn)象稱為熱損傷亦稱磨削燒傷。齒輪齒面的磨削燒傷會影響齒輪使用性能和壽命，降低齒輪的強度，導致齒輪點蝕失效。因此，如何及早地發(fā)現(xiàn)變速器臺架試驗中齒輪點蝕故障，對經(jīng)濟合理地安排臺架設(shè)備使用，避免發(fā)生安全事故有著十分重要的意義。鑒于其嚴重的危害性，對磨削燒傷的預測和識別以及能否實現(xiàn)在線檢測一直是磨削加工領(lǐng)域研究的重要課題。

　　本文針對某變速器臺架試驗，利用某振動診斷設(shè)備進行振動信號監(jiān)測及分析，第一時間發(fā)現(xiàn)振動異常，并快速定位失效部件，預測失效模式。并對齒輪失效機理進行排查，確定是磨削燒傷引起的齒輪點蝕。為了控制磨削燒傷，也介紹了一種齒輪磨削燒傷的抽檢方法。

　　2 變速器故障診斷

　　變速器產(chǎn)生的振動來源于齒輪嚙合、軸、軸承以及輔助件之間的運動間隙和不平衡。其中齒輪嚙合振動及軸承振動是變速器振動的主要來源，分析變速器振動對判定齒輪運轉(zhuǎn)狀態(tài)有非常重要的意義。

　　振動測試方法和原理：在變速器運轉(zhuǎn)時，內(nèi)部齒輪的嚙合以及其他旋轉(zhuǎn)部件的相互作用激發(fā)岀來的振動會以結(jié)構(gòu)聲的形式通過軸和軸承傳遞到變速器器殼體上，如圖1所示。

　　圖1 振動傳播示意圖

　　常用兩種不同的振動分析方法：頻率分析和階次分析。本文側(cè)重介紹利用階次分析進行故障診斷，階次分析的原理類似于頻率分析，區(qū)別僅在于在進行階次分析時頻譜是與轉(zhuǎn)速同步化的，如圖2所示。階次譜同轉(zhuǎn)速無關(guān)并且它的邊頻帶相對于頻率分析更加明顯。階次與由轉(zhuǎn)速傳感器測得的輸入軸或者輸岀軸的轉(zhuǎn)速同步化。

　　振動診斷設(shè)備同時處理來自振動傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器的數(shù)據(jù)，借助于快速傅里葉變換(FFT)將記錄到的機械振動信號轉(zhuǎn)換為階次頻譜信號，如圖2所示。

　　圖2 階次譜原理示意圖

　　幾乎變速器的每個部件(齒輪、軸承等)都可定位到頻譜中的某個譜線，下面示例說明如何計算變速器總成中的階次。圖3所示為變速器總成3檔動力傳遞路線，其動力傳遞路線順序為：nin→3檔齒輪(1軸)→3檔齒輪(2軸)→齒輪(2 軸)→3 軸→nout。

　　圖3 變速器總成3檔動力傳遞示意圖

　　將輸入軸的轉(zhuǎn)速進行同步化，變速器3檔相關(guān)的齒輪及軸的階次計算公式為

　　式中：S_oⅠ為輸入軸的軸階次，由輸入軸的轉(zhuǎn)速進行同步化, 其階次為1; S_oⅡ為2軸的軸階次;S_oⅢ為3軸的軸階次;

　　T_mⅠ面為3檔齒輪(1軸)的齒輪嚙合階次;T_mⅡ為齒輪(2 軸)的齒輪嚙合階次;N_glⅠ為3檔齒輪(1軸)的齒數(shù); N_glⅡ為3檔齒輪(2軸)的齒數(shù);N_glⅢ為齒輪(2軸)的齒數(shù);N_glⅣ為齒輪(3軸)的齒數(shù)。

　　該變速器3檔相關(guān)的齒輪齒數(shù)見表1。

　　表1 齒輪齒數(shù)

　　由公式(1)~公式(4)，利用表1的齒輪齒數(shù)，可計算得出齒輪嚙合、軸的階次，階次結(jié)果見表2。

　　表2 3檔變速器階次計算結(jié)果

　　故障診斷：在變速器臺架測試前，依據(jù)變速器總成結(jié)構(gòu)、設(shè)計參數(shù)建立總成階次計算模型，輸入齒輪、軸承參數(shù)，計算出變速器總成中各檔齒輪、軸、軸承等相關(guān)部件的旋轉(zhuǎn)振動階次, 用于分析實時振動數(shù)據(jù)，如圖4所示。按照上述所述的原理進行相關(guān)部件階次計算，階次計算結(jié)果見表3。

　　圖4 階次計算模型圖

　　表3 某變速器總成6檔相關(guān)部件階次計算結(jié)果

　　利用振動診斷設(shè)備對運轉(zhuǎn)中的變速器進行振動監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)階次譜圖岀現(xiàn)了大量的非齒輪嚙合產(chǎn)生的階次譜線，且該階次譜線幅值較高。對該異常的階次譜線進行分析，圖5所示為該變速器總成6檔的階次譜線。由圖5可看出，以13.13階次為中心兩側(cè)出現(xiàn)間隔為1.01階次的邊頻帶，26.26階次處也岀現(xiàn)間隔1.01階次的明顯邊頻，特征階次譜清晰，其中26.26階次為13.13階次的2倍。由表2階次計算結(jié)果可知，13.13和26.26階次是6檔副箱中間軸低檔齒輪的一階和二階譜線，1.01階次是副箱中間軸的一階譜線。軸的階次譜線以配合齒輪階次譜線為中心等間隔出現(xiàn)，表明該軸在運轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)了沖擊現(xiàn)象，該現(xiàn)象應由齒輪嚙合引起，推測副箱中間軸低檔齒輪岀現(xiàn)點蝕。

　　圖5 階次譜圖

　　拆檢驗證：經(jīng)拆檢發(fā)現(xiàn)，副箱中間軸低檔齒輪多輪齒岀現(xiàn)大面積齒 面剝落，如圖6所示。副箱中間軸低檔齒輪點蝕產(chǎn)生后，導致該軸運轉(zhuǎn)不平衡，兩側(cè)以軸頻為間隔的邊頻振幅也伴隨升高，形成了以副箱中間軸低檔齒輪階次為中心，副箱中間軸階次為特征的邊頻帶。驗證了上述階次譜線的特性及推測。

　　圖6 副箱中間軸低檔齒輪點蝕照片

　　3 失效分析

　　副箱中間軸低檔齒輪在齒輪疲勞壽命試驗初期就出現(xiàn)了齒輪大面積點蝕、剝落的現(xiàn)象，存在異常原因，通過齒輪疲勞強度仿真計算分析、齒輪材料檢測等手段進行逐步排查。

　　齒輪疲勞強度仿真計算分析：本文應用MASTA軟件搭建變速器仿真計算模型，如圖 7所示，此計算模型較全面地考慮了殼體剛度、軸承支撐剛度、軸變形、齒輪輪輻剛度等因素。

　　圖7 變速器仿真計算模型

　　應用MASTA仿真分析模型，導入變速器疲勞壽命載荷譜，計算6檔相關(guān)齒輪疲勞強度，副箱中間軸低檔齒輪接觸疲勞安全系數(shù)大于1，變速器運轉(zhuǎn)20%齒輪疲勞壽命時，不存在齒輪點蝕的風險。

　　齒輪材料檢測：對失效的副箱中間軸低檔齒輪進行材料檢驗，發(fā)現(xiàn)分度圓位置的齒面磨削燒傷問題。磨削燒傷熱影響的深度為 0.3~0.5mm，驅(qū)動齒面磨削燒傷面積較大，非驅(qū)動齒面的磨削燒傷面積較小，如圖8所示。從齒面二次淬火特征可以看岀，齒面發(fā)生兩次磨削燒傷，一次靠近齒根部位，另一次偏向齒頂部位，如圖9所示。

　　圖8 齒面二次淬火區(qū)域

　　圖9 齒面二次淬火特征

　　齒輪失效結(jié)論：從前面分析得岀，齒輪疲勞壽命試驗初期，副箱中間軸低檔齒輪出現(xiàn)了大面積點蝕、剝落的現(xiàn)象，是由齒面的磨削 燒傷引起的。齒面磨削燒傷造成表層二次淬火，組織應力較大，極易產(chǎn)生表層開裂失效。次表面回火，硬度驟然降低，進一步提高了表層的脆裂傾向。在接觸應力的作用下，造成二次淬火區(qū)域表層開裂，裂紋在次表層擴展產(chǎn)生剝落。剝落在接觸應力作用下向齒頂方向“扇形”擴展，最終造成齒面大面積剝落。

　　4 齒輪磨削燒傷控制

　　為了更好地控制磨削燒傷，對燒傷齒輪及時地進行判別和篩選，避免燒傷齒輪帶來潛在危害，對齒輪的磨削燒傷進行有效的監(jiān)控非常重要。目前，齒輪磨削燒傷控制主要分為兩部分：①事先預防;②事后檢測。事先預防的方法基于臨界常數(shù)法、磨削力比法、磨削溫度監(jiān)測法等相關(guān)方法的理論基礎(chǔ)，準確性需要驗證。一旦預防失效而發(fā)生磨削燒傷，還需要結(jié)合事后檢測的方法對工件進行判別和篩選，以便及時發(fā)現(xiàn)“潛藏的”燒傷工件。事后檢測方法主要有酸蝕法、表層顯微硬度法、金相檢測法、目測法、磁彈法等。

　　事先預防：本文以臨界常數(shù)法進行闡述。臨界常數(shù)法就是將工件與 砂輪的參數(shù)通過一定的公式進行計算，將結(jié)果與一個確定常數(shù)進行比較，來確定這種工作條件下的工件和砂輪在磨削時會不會發(fā)生燒傷。1985年，日本的小野浩二等人就對磨削燒傷的事先預防進行研究并提岀了檢驗是否發(fā)生燒傷的臨界公式，發(fā)生燒傷的條件為

　　式中：V表示砂輪線速度(m/min), L表示工件與砂輪接觸弧長(mm), d是砂輪的直徑(mm), D是工件的直徑(mm), t表示切削深度(mm), cb是與材料傳熱率、密度、比熱容及砂輪性質(zhì)、冷卻條件有關(guān)的燒傷常數(shù)(m•mm/ min)。

　　不同材料在不同熱處理工藝下的臨界常數(shù)c_b，是各不相同的。c_b值越小，表示不發(fā)生燒傷的條件范圍小，發(fā)生燒傷的條件就越容易滿足，即燒傷越容易發(fā)生。

　　根據(jù)式(5)的理論，針對發(fā)生磨削燒傷的齒輪，事先預防需要調(diào)節(jié)砂輪線速度和切削深度。因此，我們對該齒輪的磨齒第2循環(huán)由2次進給調(diào)整為3次進給，減少每次進給的t，保證vl < c_b 。

　　事后檢測：事先預防的方法基于一定的理論基礎(chǔ)，一旦預防失效而發(fā)生磨削燒傷，還是需要結(jié)合事后檢測的方法對工件進行判別和篩選，以便及時發(fā)現(xiàn)“潛藏的”燒傷工件。本文將介紹酸蝕法和目測法的應用。

　　酸蝕法也稱酸洗法或酸浸法，即將試樣浸入到一定配比的酸溶液中，由于不同顯微組織對酸蝕的敏感性不同，從而呈現(xiàn)不同的顏色。磨削燒傷一般是回火燒傷，產(chǎn)生回火索氏體，酸蝕后呈黑色;偶爾產(chǎn)生二次淬火燒傷，為淬火馬氏體與其他少量組織，經(jīng)酸蝕后主要呈現(xiàn)白色，在白色組織周圍會分布著少量黑色組織。參考齒輪磨削后的浸蝕檢驗國家標準，可以根據(jù)回火燒傷的顏色和燒傷面積的百分比來判定磨削燒傷的程度。表面色澤越深，面積越大，表示燒傷越嚴重。

　　目測法也稱表面顏色法或觀色法，就是由于磨削區(qū)的溫度較高，在工件表面會產(chǎn)生一層氧化膜，它會隨厚度的不同而在陽光下發(fā)生干涉產(chǎn)生不同的顏色，氧化膜越厚，顏色越深，燒傷程度越嚴重。燒傷程度由輕到重依次對應淺黃色、褐色、淺藍色、藍色、紫色、青色，最嚴重為灰色。這是最簡單直觀的一種判別磨削燒傷的方法，但往往由于工件受熱氧化后表面情況復雜，甚至沒有岀現(xiàn)顏色變化也并不能代表沒有發(fā)生磨削燒傷。此外，此法對主觀依賴性很強，對顏色的劃分沒有明確界限，肉眼只能大致判斷燒傷情況，因而適用于要求不太嚴格的情況下。為使結(jié)果更準確可靠，經(jīng)常與酸蝕法配合使用。

　　基于酸蝕法和目測法相配合，進行事后檢測，副箱中間軸低檔齒輪齒面顏色變化如圖10所示。

　　圖10 齒輪酸蝕法檢測效果

　　效果驗證：針對上述改進工藝后的副箱中間軸低檔齒輪，酸蝕法和目測法相配合檢測后，無燒傷，隨機抽取，進行臺架疲勞壽命試驗，試驗過程中該齒輪工作良好，監(jiān)控過程中未發(fā)生異常振動，試驗完成后拆檢，觀察該齒輪齒面情況，如圖11 所示，齒輪未發(fā)生點蝕問題。

　　圖11 改進后的副箱中間軸低檔齒輪

　　5 結(jié)論

　　本文以某變速器為例，針對該變速器總成在臺架試驗過程出現(xiàn)的齒輪點蝕問題，應用振動診斷設(shè)備，早期定位失效部件，分析齒輪點蝕原因，并根據(jù)分析結(jié)果，制定磨削燒傷控制方法，最終得出以下結(jié)論:

　　1) 利用振動診斷設(shè)備，通過齒輪、軸、軸承等部件的振動信號階次分析，可以在故障發(fā)生初期識別故障位置，在故障早期中止測試，避免樣品過度損壞，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。同時，也提供了變速器齒輪點蝕失效后振動信號的特征，為變速器故障診斷數(shù)據(jù)庫提供支撐。

　　2) 基于MASTA仿真計算后，齒輪疲勞安全系數(shù)滿足要求，如果齒輪短時間內(nèi)出現(xiàn)點蝕，應考慮齒面磨削燒傷造成的影響。同時，也總結(jié)了磨削燒傷對齒輪點蝕、剝落的影響。

　　3) 提供了一種磨削燒傷定性檢查方法：采用酸蝕法和目測法，對齒輪進行抽檢，判定齒輪加工過程中是否存在磨削燒傷的問題。