針對正在開發(fā)中的某商用車長壽命重型變速器副箱低擋齒輪臺架試驗斷裂問題，從齒輪材料、金相組織及熱處理、機械加工、齒輪強度仿真計算分析、齒輪潤滑系統(tǒng)和噴丸工藝等多個方面進行了詳細分析和研究，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)力大小的改進措施，改進后的臺架通過了試驗驗證，通過總結(jié)該變速 器的齒輪開發(fā)經(jīng)驗，可為滿足高可靠性、長壽命重型變速器齒輪開發(fā)提供設(shè)計參考。

　　近年來，隨著高速物流、工程建設(shè)等領(lǐng)域的快速發(fā)展，中國汽車市場對重型商用車車輛的需求量越來越大。相對于乘用車主要關(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系統(tǒng)的一部分，其齒輪 B10 設(shè)計壽命由目前 80 萬 km 邁向 150 萬 km，變速器高強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。本文通過對某長壽命重型變速器副箱低擋齒輪臺架試驗斷裂問題的分析與研究，開發(fā)高可靠性、長壽命的齒輪，從而滿足用戶對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 個擋，副箱 2 個擋; 主箱為直齒細高齒，副箱為斜齒細高齒; 變速器最大設(shè)計輸入扭矩為 2 000N·m，速比范圍為 12.341 ～ 0.785。對該變速器總成進行臺架耐久試驗，在進行第 8 個循環(huán)載荷譜( 共 10 個循環(huán)) 時，1 擋壽命試驗中副箱低擋齒輪對發(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 為主動齒輪的斷口形貌。由圖 1，2 可知，主動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; 從動齒輪為一次性脆性斷裂，其斷裂發(fā)生在主動齒輪折斷之后。

　　圖 2 主動齒輪斷口形貌照片

　　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)代分析儀器對低擋損壞主從齒輪進行化學(xué)成分化驗和熱處理檢驗得知，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 齒輪機械加工

　　低擋主從齒輪斷裂發(fā)生后，分析該齒輪對的機械加工質(zhì)量檢測數(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設(shè)計要求。由于該 齒輪對采用磨齒工藝加工，易造成齒根磨削臺階， 從而削弱齒輪彎曲強度，如圖 4 ( a) 、( b) 所示，但通過高倍放大鏡觀測到齒根磨削明顯無臺階，齒輪齒面與齒根圓過渡處光滑連接，如圖 4 ( c) 所示。由此齒輪機械加工方面的失誤排除。

　　圖 4 齒根磨削臺階

　　2.3 裝配和使用

　　變速器在進行臺架試驗前，檢查了齒輪對接觸和齒輪嚙合間隙、軸承間隙調(diào)整等，嚴控裝配后齒輪箱的清潔度，按試驗要求加注規(guī)定牌號的齒輪潤滑油，并按試驗大綱要求，對變速器齒輪進行磨合，均未發(fā)現(xiàn)異常情況，從而排除了裝配和使用不當?shù)膯栴}。

　　2.4 齒輪強度仿真計算分析

　　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度 CAE 仿真分析的準確性，根據(jù)該變速器總成齒輪、軸、軸承等部件的詳細設(shè)計參數(shù)，應(yīng)用 MASTA 軟件建立齒輪計算模型，并對變速器殼體進行結(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，在 MASTA 軟件材料庫中查找與設(shè)計齒輪材料性能接近的 S - N 曲線，并經(jīng)過適當修正得到可作為齒輪彎曲強度設(shè)計計算的 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，同時不同擋位的使用率也不同，三者之間的對應(yīng)關(guān)系就是載荷譜，根據(jù)實車采集的路譜數(shù)據(jù)，并運用統(tǒng)計學(xué)原理、齒輪 S - N 曲線和 Miner 疲勞累計計算公式得到 150 萬 km 齒輪設(shè)計計算載荷譜。

　　2.4.4 齒輪仿真分析結(jié)果

　　根據(jù) Miner 線性疲勞累計損傷法則計算不穩(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 線性疲勞累計損傷法則計算齒輪破損率，結(jié)果見表 3。

　　表 3 主從齒輪破損率

　　表 2 和表 3 的計算結(jié)果表明，齒輪彎曲強度滿足設(shè)計要求。

　　2.5 齒輪潤滑系統(tǒng)設(shè)計

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

　　圖 7 齒輪潤滑系統(tǒng)

　　2.6 齒輪噴丸工藝

　　齒輪強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)力機理

　　圖 8(a) : 強化噴丸后的齒輪，在以 30°角確定的危險斷面 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，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，強化噴丸提高了齒面疲勞壽命，進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)場了解到，齒輪表面殘余壓應(yīng)力是通過拋丸機拋出的丸粒打在齒面上產(chǎn)生的，拋丸速度低，同時拋丸直徑太大，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)力檢測結(jié)果

　　三、改進措施和試驗驗證

　　3.1 改進措施

　　通過對以上斷裂齒輪拋丸結(jié)果進行分析，根據(jù)文獻中噴丸工藝參數(shù)計算公式(3) ，對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)力檢測結(jié)果如圖 10 所示。

　　圖 10 更改工藝后主從動齒輪殘余壓應(yīng)力

　　3.2 試驗驗證

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

　　圖 11 臺架試驗主從齒輪拆檢照片

　　四、結(jié)束語

　　本文從齒輪材料、熱處理、機械加工、齒輪強度仿真計算、齒輪潤滑系統(tǒng)和噴丸工藝等多個方面進行了詳細分析和研究，查明齒輪臺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)，解決了齒輪臺架斷裂問題，總結(jié)出高可靠性、長壽命齒輪的開發(fā)經(jīng)驗: 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、開發(fā)中的各個環(huán)節(jié)，確保產(chǎn)品開發(fā)成功; 在設(shè)計壽命滿足開發(fā)要求的條件下，齒輪噴丸工藝可作為提升高可靠性、長壽命齒輪設(shè)計手段的有效補充。