傳動(dòng)齒輪對于變速器屬于關(guān)鍵零部件，齒輪的承載能力和可靠性直接影響著變速器總成的壽命和可靠性。在新產(chǎn)品性能和疲勞壽命驗(yàn)證階段，檢查齒輪是否出現(xiàn)齒面點(diǎn)蝕、輪齒折斷等失效模式，是判斷試驗(yàn)通過與否的基本手段。對于非常規(guī)的失效模式，如早期點(diǎn)蝕斷齒、個(gè)別輪齒齒端崩角等，就需要詳細(xì)查找故障原因，并提出改進(jìn)措施，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證改進(jìn)措施的有效性。

　　1 問題描述

　　該產(chǎn)品是我公司開發(fā)的某款客車變速器，在臺架壽命開發(fā)試驗(yàn)過程中出現(xiàn)比較異常的個(gè)別輪齒齒端崩角掉塊現(xiàn)象。

　　變速器正確連接在疲勞試驗(yàn)臺架上，按試驗(yàn)大綱要求完成疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中無明顯異?；虍愴?。完成疲勞試驗(yàn)后，拆檢變速箱發(fā)現(xiàn)某檔位主動(dòng)檔齒輪靠近同步器一側(cè)的端面齒頂發(fā)生5個(gè)輪齒的齒頂異常崩角掉塊,目測最嚴(yán)重一處掉塊有1/4 小拇指指甲蓋大小，其余四處崩角的掉塊與芝麻大小相當(dāng)，軸承旋轉(zhuǎn)無卡滯，殼體及其余零件均正常，未見明顯失效。

　　圖1 齒輪齒頂崩齒形貌

　　從齒輪齒頂?shù)魤K形貌來看，5個(gè)崩齒均位于嚙合面端面齒頂，分布在正對的兩處，其中一處為4個(gè)齒連續(xù)分布。單獨(dú)發(fā)生崩齒的輪齒失效較為嚴(yán)重，斷口呈平面形狀，正對的4個(gè)相鄰的輪齒，斷口均呈“C”字形。齒頂?shù)魤K均比較小，在拆檢時(shí)變速器中沒有找到相應(yīng)的金屬塊。經(jīng)分析認(rèn)為可能是在生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)，比如在熱處理之前磕碰導(dǎo)致的。為了進(jìn)一步查找原因，我們對該故障齒輪做了理化檢測分析。

　　2 問題分析及查找原因

　　首先考察齒輪幾何尺寸、材料、熱處理是否符合圖紙要求。對齒輪材料及硬度做了檢測，結(jié)果說明齒輪材質(zhì)和熱處理質(zhì)量均符合圖紙要求。接著考察齒輪是否在變速器裝箱之前如機(jī)加工或熱處理前發(fā)生磕碰導(dǎo)致齒頂崩齒掉塊。對齒輪在掃描電鏡下進(jìn)行微觀分析。崩齒形貌如圖2所示。

　　圖2 崩齒形貌

　　從崩齒形貌來看，崩齒處局部斷口特征為沿晶脆性斷裂， 說明崩齒發(fā)生在熱處理之后;同時(shí)觀察了崩齒輪齒的的鄰近齒，臨近的輪齒雖然沒有表現(xiàn)出肉眼可見的崩齒掉塊，但在電鏡觀察到仍已經(jīng)產(chǎn)品顯微裂紋;多個(gè)齒齒頂角有掉塊痕跡， 但崩齒處、顯微裂紋和掉塊位置均未發(fā)現(xiàn)塑性變形痕跡，認(rèn)為崩齒和裂紋、掉塊不是熱后磕碰產(chǎn)生;由此可以確認(rèn)，齒輪齒頂崩齒是在臺架疲勞試驗(yàn)過程中產(chǎn)生的，推測齒頂角嚙合時(shí)受到?jīng)_擊載荷，頂角齒面產(chǎn)生微裂紋，裂紋逐步擴(kuò)展最終發(fā)生崩齒。

　　考慮到齒頂崩齒掉塊正好發(fā)生在率先進(jìn)入嚙合的一側(cè)， 考察齒輪副嚙合時(shí)是否存在偏載導(dǎo)致率先進(jìn)入嚙合的一側(cè)頻繁受到?jīng)_擊載荷導(dǎo)致崩齒掉塊。齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)受載后，齒輪輪輻、軸、軸承以及殼體等發(fā)生彈性變形，導(dǎo)致齒輪實(shí)際嚙合位置偏離理論正確位置，出現(xiàn)不同程度的齒形和齒向偏載情況。當(dāng)齒輪出現(xiàn)偏載時(shí)，容易導(dǎo)致齒輪早期點(diǎn)蝕或者斷齒失效。早期點(diǎn)蝕是齒面疲勞損傷的常見形式，齒輪齒面在循環(huán)的接觸應(yīng)力作用下，齒面上產(chǎn)生微小裂紋導(dǎo)致剝落產(chǎn)生微小麻點(diǎn)損傷，在持續(xù)的循環(huán)接觸應(yīng)力作用下，麻點(diǎn)逐漸擴(kuò)大最終形成明顯的齒面凹坑。單純提高齒輪的加工精度和安裝精度來改善齒輪傳動(dòng)的偏載問題，成本較高。通過合適的齒廓修形和適當(dāng)?shù)凝X向修形手段可以有效的調(diào)整齒輪嚙合位置，補(bǔ)償齒輪受載變形后產(chǎn)生的嚙合偏載，使齒輪在正確位置接觸嚙合，齒型修形和齒向修形是解決齒輪偏載問題的有效手段。

　　首先對失效齒輪進(jìn)行精密測量，得到其實(shí)際齒面拓?fù)?。根?jù)變速器總成圖紙建立變速器Romax模型，并對齒坯和殼體進(jìn)行柔性化處理，選擇變速器潤滑油牌號及顆粒度代碼，根據(jù)變速器疲勞試驗(yàn)大綱得到該檔位齒輪疲勞壽命指標(biāo)，根據(jù)該擋位轉(zhuǎn)速和速比信息計(jì)算得到該擋位運(yùn)行時(shí)間。針對齒輪圖紙修形和齒輪實(shí)際齒面拓?fù)浞謩e通過Romax接觸分析計(jì)算得到該檔位最大接觸應(yīng)力云圖，圖3a為按圖紙修形，圖3b按實(shí)測齒面拓?fù)洹?/p>

　　a 按圖紙修形

　　b 按實(shí)測齒面拓?fù)?/span>

　　圖3 最大接觸應(yīng)力云圖

　　從圖中可以看出，按圖紙修形，中間軸三擋輪接觸無偏載。按實(shí)測齒面拓?fù)?，中間軸3擋輪接觸有輕微偏載，齒頂端的接觸應(yīng)力約為800Mpa，引起崩齒可能性不大。由此可知齒輪的輕微偏載不是導(dǎo)致齒頂崩齒掉塊的主要原因。在排除了齒輪幾何形狀、熱處理等不符合圖紙以及齒輪偏載導(dǎo)致崩齒掉塊的原因之后，再次認(rèn)真檢查失效齒輪以及與失效齒輪配合的被動(dòng)齒輪。該變速器為全同步器變速器，且為了減小軸向尺寸，多數(shù)同步器的結(jié)合齒圈直接焊接在輸出軸齒輪上，與失效齒輪配合的被動(dòng)齒輪與同步器結(jié)合齒圈焊接為一體成被動(dòng)齒輪總成，經(jīng)仔細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)，被動(dòng)齒輪總成上的焊接齒圈在正對該檔位主動(dòng)齒輪的端面靠外圈處有一圈磨損痕跡。由此可以推斷，該對齒輪副在嚙合傳遞扭矩過程中，被動(dòng)齒輪零件與主動(dòng)齒輪在端面區(qū)域有接觸，由于轉(zhuǎn)速差的存在，出現(xiàn)磨損痕跡。同步器結(jié)合齒圈的外圈直徑與被動(dòng)齒輪齒輪的齒頂園直徑正好相當(dāng)。如圖4所示。

　　圖4 中間軸三檔齒輪與二軸齒輪結(jié)合齒圈端面間隙

　　假設(shè)主動(dòng)齒輪軸向前移動(dòng)到極限位置，輸出軸向后移動(dòng)到極限位置，通過校核尺寸鏈，可知該檔位主動(dòng)齒輪與被動(dòng)齒輪總成上的同步器結(jié)合齒圈之間的間隙 X=0.70± 0.695mm，從計(jì)算結(jié)果可知，該檔齒輪副在極限情況下，主動(dòng) 輪與被動(dòng)輪零件軸向間隙很小。該款變速器為全斜齒變速器，被動(dòng)齒輪軸向力向后，主動(dòng)齒輪軸向力向前，被動(dòng)齒輪與同步器結(jié)合齒圈為焊接結(jié)構(gòu)，在軸向力作用下，同步器結(jié)合齒圈向右軸向移動(dòng)，最小間隙 X=0.005mm。雖然最小間隙大于0， 沒有發(fā)生干涉，但由于兩零件端面跳動(dòng)誤差和相對轉(zhuǎn)速差的存在，結(jié)合齒圈端面局部會與主動(dòng)小齒輪個(gè)別齒端面發(fā)生接觸甚至產(chǎn)生擠壓應(yīng)力。

　　由此可知，該檔主動(dòng)齒輪靠近同步器一側(cè)發(fā)生個(gè)別齒頂崩齒的主要原因是被動(dòng)齒輪總成上的同步器結(jié)合齒圈右端面 與主動(dòng)齒輪左端面軸向間隙過小，在軸向力的作用下，發(fā)生摩擦甚至擠壓，導(dǎo)致在疲勞臺架試驗(yàn)過程中產(chǎn)生個(gè)別輪齒齒頂崩齒掉塊的失效模式。

　　3 優(yōu)化改進(jìn)措施

　　通過一系列的問題分析和原因查找，最終確定了導(dǎo)致該異常失效模式的主要原因。失效原因明確了之后，改進(jìn)措施只需對癥下藥。該異常失效的主要原因是主動(dòng)、被動(dòng)零件之間軸向間隙過小，在軸向力的作用下，發(fā)生摩擦甚至擠壓，最終導(dǎo)致在疲勞臺架試驗(yàn)過程中產(chǎn)生個(gè)別輪齒齒頂崩齒掉塊的失效模式。因此，只需將主被動(dòng)零件軸向間隙改大或者將回轉(zhuǎn)零件的端面跳動(dòng)誤差改小即可?？紤]到目前圖紙上要求端面跳動(dòng)誤差在我司屬于大批量零件的正常工藝水平，如果改小端面跳動(dòng)，將額外的增加零件制造成本，因此改大主被動(dòng)零件軸向間隙是比較良好的改進(jìn)措施。具體措施就是減小中間軸三檔齒輪在齒全高附近的齒寬。

　　4 優(yōu)化方案試驗(yàn)驗(yàn)證

　　通過臺架總成疲勞壽命驗(yàn)驗(yàn)正優(yōu)化方案是否能解決失效問題。優(yōu)化后的中間軸三檔齒輪做變速器總成臺架壽命疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中三擋狀態(tài)良好.沒有發(fā)生異常振動(dòng)或報(bào)警。試驗(yàn)完成后拆解試驗(yàn)樣箱，檢查中間軸三檔齒輪和二軸三檔 齒輪總成齒面及端面情況，未發(fā)現(xiàn)點(diǎn)蝕現(xiàn)象和磨損現(xiàn)象。

　　5 結(jié)論

　　本文以客車變速器為例，針對該變速器在臺架總成壽命試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的中間軸三檔齒輪比較異常的個(gè)別輪齒齒端崩角掉塊問題.應(yīng)用金相檢驗(yàn)、電鏡觀察、齒輪齒面拓?fù)?、Romax 分析、尺寸鏈計(jì)算等方法，分析異常齒端崩角掉塊失效原因，并根據(jù)分析結(jié)果對齒輪進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)以解決崩齒掉塊問題。為類似的齒輪疲勞失效問題提供了可以借鑒的分析思路和驗(yàn)證方法。