針對(duì)正在開發(fā)中的某商用車長(zhǎng)壽命重型變速器副箱低擋齒輪臺(tái)架試驗(yàn)斷裂問題，從齒輪材料、金相組織及熱處理、機(jī)械加工、齒輪強(qiáng)度仿真計(jì)算分析、齒輪潤(rùn)滑系統(tǒng)和噴丸工藝等多個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)分析和研究，討論齒輪斷裂的原因，最終提出了通過調(diào)整齒輪噴丸工藝和參數(shù)，即增大齒輪齒面和齒根殘余壓應(yīng)力大小的改進(jìn)措施，改進(jìn)后的臺(tái)架通過了試驗(yàn)驗(yàn)證，通過總結(jié)該變速 器的齒輪開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，可為滿足高可靠性、長(zhǎng)壽命重型變速器齒輪開發(fā)提供設(shè)計(jì)參考。

　　近年來，隨著高速物流、工程建設(shè)等領(lǐng)域的快速發(fā)展，中國(guó)汽車市場(chǎng)對(duì)重型商用車車輛的需求量越來越大。相對(duì)于乘用車主要關(guān)注整車的舒適性、節(jié)能及安全性等而言，重型商用車由于復(fù)雜的路況 而更關(guān)注產(chǎn)品的可靠性。重型變速器作為商用車整車傳動(dòng)系統(tǒng)的一部分，其齒輪 B10 設(shè)計(jì)壽命由目前 80 萬(wàn) km 邁向 150 萬(wàn) km，變速器高強(qiáng)度齒輪壽命的提高不僅可以提高整車使用效率和出勤率，而且可以降低用戶使用和維修成本。本文通過對(duì)某長(zhǎng)壽命重型變速器副箱低擋齒輪臺(tái)架試驗(yàn)斷裂問題的分析與研究，開發(fā)高可靠性、長(zhǎng)壽命的齒輪，從而滿足用戶對(duì)商用車重型變速器的需求。

　　一、齒輪損傷情況和斷裂模式分析

　　1.1 齒輪損傷情況

　　商用車某重型 12 擋變速器為主副箱雙中間軸結(jié)構(gòu)，主箱 6 個(gè)擋，副箱 2 個(gè)擋; 主箱為直齒細(xì)高齒，副箱為斜齒細(xì)高齒; 變速器最大設(shè)計(jì)輸入扭矩為 2 000N·m，速比范圍為 12.341 ～ 0.785。對(duì)該變速器總成進(jìn)行臺(tái)架耐久試驗(yàn)，在進(jìn)行第 8 個(gè)循環(huán)載荷譜( 共 10 個(gè)循環(huán)) 時(shí)，1 擋壽命試驗(yàn)中副箱低擋齒輪對(duì)發(fā)生折斷現(xiàn)象，如圖 1 所示。

　　圖 1 齒輪斷裂照片

　　1.2 斷裂模式分析

　　圖 2 為主動(dòng)齒輪的斷口形貌。由圖 1，2 可知，主動(dòng)齒輪為單向彎曲疲勞斷裂，疲勞源位于齒輪受拉應(yīng)力齒根處; 從動(dòng)齒輪為一次性脆性斷裂，其斷裂發(fā)生在主動(dòng)齒輪折斷之后。

　　圖 2 主動(dòng)齒輪斷口形貌照片

　　二、齒輪斷裂原因分析

　　由于變速器齒輪工況不同，材質(zhì)各異，環(huán)境條件等也有差別，齒輪斷裂的誘因往往很復(fù)雜，因此從以下幾個(gè)方面探討齒輪斷裂原因。

　　2.1 齒輪材料和熱加工

　　利用金相顯微鏡和能譜儀等現(xiàn)代分析儀器對(duì)低擋損壞主從齒輪進(jìn)行化學(xué)成分化驗(yàn)和熱處理檢驗(yàn)得知，材料化學(xué)成分、金相組織、滲碳層深及硬度分布均滿足設(shè)計(jì)圖紙規(guī)定的要求，如圖 3 和表 1 所 示。材料與熱加工方面的可能性被排除。

　　圖 3 主從齒輪金相組織( 20 × )

　　表 1 材料化學(xué)成分

　　2.2 齒輪機(jī)械加工

　　低擋主從齒輪斷裂發(fā)生后，分析該齒輪對(duì)的機(jī)械加工質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)，可知“K”形齒的尺寸、齒根單圓弧半徑R、齒頂齒端倒角加工尺寸、齒厚、齒形和齒面光潔度等均滿足圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求。由于該 齒輪對(duì)采用磨齒工藝加工，易造成齒根磨削臺(tái)階， 從而削弱齒輪彎曲強(qiáng)度，如圖 4 ( a) 、( b) 所示，但通過高倍放大鏡觀測(cè)到齒根磨削明顯無臺(tái)階，齒輪齒面與齒根圓過渡處光滑連接，如圖 4 ( c) 所示。由此齒輪機(jī)械加工方面的失誤排除。

　　圖 4 齒根磨削臺(tái)階

　　2.3 裝配和使用

　　變速器在進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)前，檢查了齒輪對(duì)接觸和齒輪嚙合間隙、軸承間隙調(diào)整等，嚴(yán)控裝配后齒輪箱的清潔度，按試驗(yàn)要求加注規(guī)定牌號(hào)的齒輪潤(rùn)滑油，并按試驗(yàn)大綱要求，對(duì)變速器齒輪進(jìn)行磨合，均未發(fā)現(xiàn)異常情況，從而排除了裝配和使用不當(dāng)?shù)膯栴}。

　　2.4 齒輪強(qiáng)度仿真計(jì)算分析

　　2.4.1 變速器 3D 仿真分析模型建立

　　為了保證變速器齒輪強(qiáng)度 CAE 仿真分析的準(zhǔn)確性，根據(jù)該變速器總成齒輪、軸、軸承等部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)，應(yīng)用 MASTA 軟件建立齒輪計(jì)算模型，并對(duì)變速器殼體進(jìn)行結(jié)構(gòu)柔性化處理，通過有限元軟件 NASTRAN 將殼體的剛度矩陣濃縮到11個(gè)軸承孔處，如圖 5 所示。

　　圖 5 變速器齒輪 3D 仿真分析模型

　　2.4.2 齒輪材料 S - N 曲線

　　根據(jù)產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，在 MASTA 軟件材料庫(kù)中查找與設(shè)計(jì)齒輪材料性能接近的 S - N 曲線，并經(jīng)過適當(dāng)修正得到可作為齒輪彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算的 S - N 曲線，如圖 6 所示。

　　圖 6 齒輪 S - N 曲線

　　2.4.3 載荷譜

　　變速器在實(shí)際工作中，受到的載荷是變化的，體現(xiàn)為扭矩和轉(zhuǎn)速的變化，同時(shí)不同擋位的使用率也不同，三者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系就是載荷譜，根據(jù)實(shí)車采集的路譜數(shù)據(jù)，并運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理、齒輪 S - N 曲線和 Miner 疲勞累計(jì)計(jì)算公式得到 150 萬(wàn) km 齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算載荷譜。

　　2.4.4 齒輪仿真分析結(jié)果

　　根據(jù) Miner 線性疲勞累計(jì)損傷法則計(jì)算不穩(wěn)定變應(yīng)力下齒輪疲勞損傷 D 和齒輪安全系數(shù) L:

　　式中: n_i 為某應(yīng)力水平下的循環(huán)次數(shù); N_i 為該應(yīng)力水平下材料達(dá)到破壞的總循環(huán)次數(shù); m 為材料指數(shù)。

　　1) 齒輪安全系數(shù)。

　　一般情況下齒輪彎曲安全系數(shù)應(yīng)大于 1.2，利用 MASTA 軟件計(jì)算主從齒輪安全系數(shù)，結(jié)果見表2。

　　表 2 主從齒輪安全系數(shù)

　　2) 齒輪損傷率。

　　利用 MASTA 軟件，根據(jù) Miner 線性疲勞累計(jì)損傷法則計(jì)算齒輪破損率，結(jié)果見表 3。

　　表 3 主從齒輪破損率

　　表 2 和表 3 的計(jì)算結(jié)果表明，齒輪彎曲強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

　　2.5 齒輪潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　該重型變速器由于采用主副箱結(jié)構(gòu)，變速器總體長(zhǎng)度相對(duì)較長(zhǎng)，為了確保變速器各摩擦副潤(rùn)滑充分，采用了強(qiáng)制潤(rùn)滑和噴淋管輔助潤(rùn)滑系統(tǒng)，有效防止了齒輪等摩擦副由于潤(rùn)滑不充分導(dǎo)致齒輪彎曲強(qiáng) 度和接觸疲勞強(qiáng)度降低。潤(rùn)滑系統(tǒng)如圖 7 所示。

　　圖 7 齒輪潤(rùn)滑系統(tǒng)

　　2.6 齒輪噴丸工藝

　　齒輪強(qiáng)化噴丸處理的主要目的在于齒面和齒根處能夠產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，從而降低齒根危險(xiǎn)斷面處的拉伸應(yīng)力幅值，以提高彎曲疲勞壽命，如圖 8 所示。

　　圖 8 齒輪噴丸壓應(yīng)力機(jī)理

　　圖 8(a) : 強(qiáng)化噴丸后的齒輪，在以 30°角確定的危險(xiǎn)斷面 S_p 處，齒根產(chǎn)生殘余的壓應(yīng)力 σ_r。

　　圖 8(b) : 齒輪受力時(shí)，在受力側(cè)的齒根產(chǎn)生拉伸應(yīng)力 σ_t，在非受力側(cè)的齒根產(chǎn)生壓應(yīng)力 σ_c。

　　圖 8(c) : 經(jīng)過強(qiáng)化噴丸處理的齒輪，受拉一側(cè) 應(yīng)力為 σ_t - σ_r; 另一側(cè)則為二者所疊加，即 σ_r + σ_c。由于材料的抗壓能力遠(yuǎn)大于抗拉能力，破壞總是發(fā)生在拉伸應(yīng)力的工作面上，強(qiáng)化噴丸提高了齒面疲勞壽命，進(jìn)而提高了彎曲疲勞壽命。

　　從圖 9 可知，主從齒輪次表面殘余壓應(yīng)力過低，檢測(cè)結(jié)果不滿足圖紙規(guī)定的齒輪次表面殘余壓應(yīng)力最低不小于 960MPa 的要求。從齒輪生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)了解到，齒輪表面殘余壓應(yīng)力是通過拋丸機(jī)拋出的丸粒打在齒面上產(chǎn)生的，拋丸速度低，同時(shí)拋丸直徑太大，分別為0.6mm和0.8mm兩種，齒面和齒根處拋丸覆蓋率低，導(dǎo)致齒面殘余壓應(yīng)力過低。

　　圖 9 殘余壓應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果

　　三、改進(jìn)措施和試驗(yàn)驗(yàn)證

　　3.1 改進(jìn)措施

　　通過對(duì)以上斷裂齒輪拋丸結(jié)果進(jìn)行分析，根據(jù)文獻(xiàn)中噴丸工藝參數(shù)計(jì)算公式(3) ，對(duì)影響主從齒輪噴丸工藝質(zhì)量效果的噴丸直徑、速度、噴丸角度等工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

　　式中: δ 為硬化層的有效層深; k 為比例系數(shù); d 為丸粒直徑大小; v 為丸粒噴射速度; α 為噴流與被噴金屬表面夾角; H_m 為被處理金屬的沖擊硬度。

　　調(diào)整工藝及參數(shù)結(jié)果如下:

　　1) 將拋丸工藝改成噴丸工藝;

　　2) 將噴丸直徑改成 0.4mm。

　　更改工藝后的樣品殘余壓應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果如圖 10 所示。

　　圖 10 更改工藝后主從動(dòng)齒輪殘余壓應(yīng)力

　　3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

　　改進(jìn)工藝后，重新進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)，該重型變速器順利完成臺(tái)架試驗(yàn)要求的 10 個(gè)循環(huán)載荷譜壽命試驗(yàn)，圖 11 為 10 個(gè)循環(huán)載荷譜壽命試驗(yàn)后主從齒輪拆檢照片。

　　圖 11 臺(tái)架試驗(yàn)主從齒輪拆檢照片

　　四、結(jié)束語(yǔ)

　　本文從齒輪材料、熱處理、機(jī)械加工、齒輪強(qiáng)度仿真計(jì)算、齒輪潤(rùn)滑系統(tǒng)和噴丸工藝等多個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)分析和研究，查明齒輪臺(tái)架斷裂是由于齒輪表面噴丸工藝不合理，導(dǎo)致齒輪表面殘余壓應(yīng)力過低造成的，經(jīng)重新調(diào)整噴丸工藝和參數(shù)，解決了齒輪臺(tái)架斷裂問題，總結(jié)出高可靠性、長(zhǎng)壽命齒輪的開發(fā)經(jīng)驗(yàn): 影響變速器齒輪壽命因素很多，因此在變速器產(chǎn)品開發(fā)階段必須系統(tǒng)分析和研究設(shè)計(jì)、開發(fā)中的各個(gè)環(huán)節(jié)，確保產(chǎn)品開發(fā)成功; 在設(shè)計(jì)壽命滿足開發(fā)要求的條件下，齒輪噴丸工藝可作為提升高可靠性、長(zhǎng)壽命齒輪設(shè)計(jì)手段的有效補(bǔ)充。