針對(duì)某變速器油泵齒輪在整車試驗(yàn)時(shí)發(fā)生的斷齒問題，本文通過CAE手段從同軸度對(duì)油泵齒輪齒根應(yīng)力的影響進(jìn)行分析，分析了油泵齒輪齒根應(yīng)力隨同軸度的變化趨勢(shì)。隨著同軸度的變化，齒根應(yīng)力在某個(gè)同軸度時(shí)會(huì)出現(xiàn)急劇變化的拐點(diǎn)，得出同軸度過大為導(dǎo)致此次斷齒問題的根本原因，也建立了對(duì)同軸度的分析體系。

　　變速器油泵的作用主要是為液力變矩器和液壓操縱系統(tǒng)提供一定的壓力和流量的液壓油，并保證各摩擦副的潤(rùn)滑需要。油泵安裝在液力變矩器的后方，常見的油泵主要有齒輪泵、轉(zhuǎn)子泵、葉片泵。齒輪泵由于其結(jié)構(gòu)緊湊、自吸能力強(qiáng)、流量波動(dòng)小、噪聲低等特點(diǎn)而應(yīng)用廣泛。

　　同軸度作為一種定位公差，用來限制零件形位誤差，體現(xiàn)了被測(cè)要素的設(shè)計(jì)要求，也是加工和檢驗(yàn)的依據(jù)。而對(duì)同軸度的標(biāo)注，僅依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，對(duì)同軸度的CAE分析幾乎沒有。

　　本文基于某車型變速器油泵齒輪斷齒問題，通過 CAE手段從同軸度對(duì)油泵齒輪齒根應(yīng)力的影響進(jìn)行分析，分析了油泵齒輪齒根應(yīng)力隨同軸度的變化趨勢(shì)，隨著同軸度的變化，齒根應(yīng)力在某個(gè)同軸度時(shí)會(huì)出現(xiàn)急劇變化的拐點(diǎn)，得出同軸度過大為導(dǎo)致此次斷齒問題的根本原因，也建立對(duì)同軸度的分析體系。

　　一、同軸度理論

　　定位公差是關(guān)聯(lián)實(shí)際要素對(duì)基準(zhǔn)在位置上允許的變動(dòng)全量。定位公差用于控制被測(cè)要素的位置，如點(diǎn)、線或面的定位誤差，其特點(diǎn)是公差帶相對(duì)于基準(zhǔn)有確定的位置。定位公差可分為同軸度、對(duì)稱度和位置度。

　　同軸度公差用來控制點(diǎn)、軸線的同軸度誤差，其特點(diǎn)是被測(cè)要素的理想位置與基準(zhǔn)同心或同軸(圖1、圖2)。其公差帶為：①直徑為公差帶且與基準(zhǔn)同心的圓內(nèi)區(qū)域;②與基準(zhǔn)軸線同軸的，直徑為公差值的圓柱面內(nèi)的區(qū)域。

　　同軸度公差是用來控制理論上應(yīng)同軸的被測(cè)軸線與基準(zhǔn)軸線的不同軸程度。簡(jiǎn)單理解就是：零件上要求在同一直線上的兩根軸線，它們之間發(fā)生了多大程度的偏離，兩軸的偏離通常是三種情況(基準(zhǔn)軸線為理想的直線)的綜合——被測(cè)軸線彎曲、被測(cè)軸線傾斜和被測(cè)軸線偏移。

　　它有以下三種控制要素：①軸線與軸線;②軸線與公共軸線;③圓心與圓心。因此，影響同軸度的主要因素有被測(cè)元素與基準(zhǔn)元素的圓心位置和軸線方向，特別是軸線方向。

　　同軸度的測(cè)量?jī)x器有圓柱儀、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、V型架和帶指示表的表架。

　　二、油泵齒輪結(jié)構(gòu)及原理介紹

　　該油泵主要由油泵體、側(cè)壓板、從動(dòng)齒輪軸、主動(dòng)齒輪軸、主動(dòng)齒輪、從動(dòng)齒輪等組成，如圖3所示。

　　齒輪泵的主要工作原理為一對(duì)相互嚙合的齒輪，由于齒輪兩端面與泵蓋的間隙以及齒輪的齒頂與泵體內(nèi)表面的間隙很小，因此將齒輪泵的殼體內(nèi)部分割成左右兩個(gè)密封容積。當(dāng)齒輪按圖示方向選裝時(shí)，右側(cè)的齒輪逐漸脫離嚙合，露出齒間，其密封容積逐漸增大，形成局部真空。油箱中的油液在大氣壓力的作用下經(jīng)泵的吸油口進(jìn)入這個(gè)密封容積——吸油腔。

　　隨著齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，每個(gè)齒輪的齒間把油液從右側(cè)帶到左側(cè)密封容積中，齒輪在左側(cè)進(jìn)入嚙合時(shí)，使左側(cè)密封容積 (壓油腔)逐漸減小，把齒間油液擠出，油液從壓油口輸出，這就是齒輪泵的吸油和壓油過程。當(dāng)齒輪泵不斷地旋轉(zhuǎn)時(shí)，齒輪泵的吸、壓油口不斷地吸油和壓油。

　　三、油泵齒輪斷裂問題

　　某變速器油泵齒輪，在進(jìn)行整車試驗(yàn)挪動(dòng)車輛時(shí)，出現(xiàn)車輛無法行駛的狀況。經(jīng)檢測(cè)，液壓系統(tǒng)無主壓，電子油泵請(qǐng)求轉(zhuǎn)速，反饋為0r/min，油泵無法運(yùn)轉(zhuǎn)，低壓油泵端面無異常磨損，無燒結(jié)。取出外轉(zhuǎn)子，內(nèi)轉(zhuǎn)子無法運(yùn)轉(zhuǎn)，拆解高壓油泵，發(fā)現(xiàn)高壓油泵側(cè)出現(xiàn)故障：油泵從動(dòng)齒輪三處貫穿斷裂，如圖5所示。

　　四、同軸度分析邊界條件

　　同軸度分析邊界條件包括：有限元模型介紹、材料屬性、約束邊界及加載載荷。

　　有限元模型介紹

　　有限元模型(FE模型)包括：油泵體、側(cè)壓板、從動(dòng)齒輪軸、主動(dòng)齒輪軸、主動(dòng)齒輪、從動(dòng)齒輪等，如圖6 所示。

　　FE模型的網(wǎng)格油泵體及側(cè)壓板以二階四面體網(wǎng)格為主，單元類型選擇C3D10M;重點(diǎn)關(guān)注主從動(dòng)齒輪軸及主從動(dòng)齒輪，建議采用六面體網(wǎng)格，單元類型選擇C3D8I。所有相鄰部件之間定義接觸關(guān)系，即Contact Surface接觸對(duì)，從動(dòng)齒輪軸左側(cè)與泵體接觸類型為Tied。接觸對(duì)間的摩擦系數(shù)一般采用0.15，有潤(rùn)滑油潤(rùn)滑的接觸區(qū)摩擦系數(shù)為0.01。

　　材料屬性

　　油泵體、側(cè)壓板、從動(dòng)齒輪及齒輪軸、主動(dòng)齒輪及齒輪軸材料屬性根據(jù)實(shí)際的材料參數(shù)進(jìn)行定義，具體參數(shù)見表1和表2。

　　約束邊界

　　約束油泵體螺栓孔自由度DOF123456，約束油泵體與側(cè)壓板平面軸向平動(dòng)自由度DOF1。

　　加載載荷

　　加載載荷工況為：主動(dòng)齒輪端面施加極限轉(zhuǎn)矩，極限轉(zhuǎn)矩大小根據(jù)規(guī)格不同而異，具體轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值由設(shè)計(jì)人員提供，從動(dòng)齒輪軸與側(cè)壓板配合處以強(qiáng)迫位移方式施加不同同軸度數(shù)值。

　　五、分析結(jié)果

　　強(qiáng)度分析結(jié)果

　　同軸度為0μm時(shí)，從動(dòng)齒齒根最大mises應(yīng)力為 5.13MPa，主動(dòng)齒齒根最大mises應(yīng)力為128.49MPa。

　　同軸度為15μm時(shí)，從動(dòng)齒齒根最大mises應(yīng)力為 5.31MPa，主動(dòng)齒齒根最大mises應(yīng)力為121.13MPa。

　　同軸度為50μm時(shí)，從動(dòng)齒齒根最大mises應(yīng)力為144.50MPa，主動(dòng)齒齒根最大mises應(yīng)力為133.87MPa。

　　同軸度為80μm時(shí)，從動(dòng)齒齒根最大mises應(yīng)力為 290.76MPa，主動(dòng)齒齒根最大mises應(yīng)力為143.46MPa。

　　同軸度對(duì)強(qiáng)度的影響趨勢(shì)分析

　　隨著同軸度的增加，從動(dòng)齒的齒根應(yīng)力整體成增大勢(shì) (0~40μm)，同軸度增加幅度為50～80μm;隨著同軸度的增加，主動(dòng)齒的齒根應(yīng)力變化幅度較小。

　　對(duì)于從動(dòng)軸的從動(dòng)齒輪，當(dāng)同軸度為50μm時(shí)，從動(dòng)齒齒根最大mises應(yīng)力為144.50MPa。由于粉末冶金材料屈服強(qiáng)度為170MPa，為保證齒輪可靠性，建議將同軸度控制在50μm以下或者更換屈服強(qiáng)度更高的鋼材。

　　六、試驗(yàn)驗(yàn)證

　　通過分析發(fā)現(xiàn)，隨著同軸度的增加，從動(dòng)齒齒根應(yīng)力變大，尤其是后期應(yīng)力變化趨勢(shì)明顯增大。根據(jù)圖15所示的實(shí)測(cè)值，此次出現(xiàn)斷齒的同軸度甚至達(dá)到80μm，這也是造成從動(dòng)齒斷齒的根本原因。

　　齒輪的同軸度無法在裝配過程中實(shí)時(shí)控制，只能間接通過控制零部件尺寸來進(jìn)行控制。具體的措施為加強(qiáng)零部件的全尺寸檢測(cè)，針對(duì)不合格尺寸的評(píng)審，通過零部件的實(shí)物評(píng)審等措施完善供應(yīng)商質(zhì)量控制體系。

　　七、結(jié)論

　　1)以往對(duì)同軸度的認(rèn)識(shí)僅限于尺寸公差的標(biāo)注以及測(cè)量，對(duì)同軸度的分析幾乎沒有。

　　2)同軸度過大會(huì)導(dǎo)致油泵齒輪出現(xiàn)斷齒的問題，需加強(qiáng)重視。

　　3)本文通過CAE手段從同軸度對(duì)油泵齒輪齒根應(yīng)力的影響進(jìn)行分析，介紹了油泵齒輪齒根應(yīng)力隨同軸度的變化趨勢(shì)。隨著同軸度的變化，齒根應(yīng)力在某個(gè)同軸度時(shí)會(huì)出現(xiàn)急劇變化的拐點(diǎn)，因此為了保證結(jié)構(gòu)的可靠性，需把同軸度嚴(yán)格控制在屈服點(diǎn)對(duì)應(yīng)的某一同軸度以下。

　　4)本文方法可減少試驗(yàn)次數(shù)，降低質(zhì)量問題風(fēng)險(xiǎn)。