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      汽車變速器齒輪修形對齒輪疲勞壽命的影響研究

      發布時間:2024-04-19 | 來源:科技創新與應用 | 作者:吳茂瑞等
         新能源卡車變速器齒輪受殼體變形影響易出現疲勞點蝕失效。針對殼體變形問題引入齒輪螺旋線補償修形,利用 Romax Designer 對齒輪進行修形優化,改善齒輪的接觸斑點,降低齒輪的最大接觸應力。修形優化后的齒輪通過變速器疲勞耐久試驗,對齒輪壽命提升約一倍。

        新能源純電動卡車用電機取代發動機作為驅動源,所匹配的變速器傳動系統具有速比大、功率密度高的特點,為進一步降低變速器重量,殼體采用鋁合金材料。其一款四檔變速器在進行疲勞壽命試驗時一檔齒輪出現了接觸疲勞失效。未能滿足使用要求,因此必須改善齒輪嚙合性能,提高齒輪壽命。齒輪修形技術是減少制造誤差、抵消彈性變形對齒輪嚙合的影響,提高齒輪性能及壽命的有效手段。

        國外學者 Walker在 1938 年公布了漸開線齒輪齒廓修形。Mehmet建立了研究扭轉振動的模型,通過優化齒輪初始的設計參數來抑制其振動,提高了齒輪嚙合性能。國內研究者謝坤琪等在 2019 年通過 Romax 軟件建立了減速器傳動模型,并對齒輪進行修形,對比修形前后齒輪承載面上的最大載荷、應力的數值變化,證明了不改變齒輪參數情況下對齒輪修形可以提高齒輪的承載能力。吳晗等利用 Romax 對齒輪進行修形分析,結果表明修形后減小了齒輪的傳遞誤差和最大接觸應力,齒面載荷分布更加合理,有效改善了齒輪的傳動性能,增加了齒輪壽命。本文對變速器傳動系統進行建模仿真,分析殼體變形對齒面嚙合的影響,制定齒輪修形優化方案并進行試驗驗證。

        一、變速器結構與傳動系統建模

        變速器結構

        變速器為 12~18 t 的新能源重卡定軸式四檔自動變速器,具有傳動效率高,傳遞扭矩大、易于制造且價格低廉、結構簡單等優點。

        變速器共有 4 個檔位,其中四檔為直接檔,倒檔為一檔時驅動電機反轉來實現。齒輪為漸開線斜齒輪,最大輸入扭矩為 1 000 N·m,最大輸入轉速為 3 100 rpm,各檔速比見表 1。


        該結構中常嚙合齒輪副的輸入軸齒輪與輸入軸固連,各齒輪副中的中間軸齒輪與中間軸固連,輸出軸上的齒輪與輸出軸間由滾針軸承支撐,與輸出軸通過同步器在相應檔位時進行連接,傳遞動力。

        齒輪傳動系統建模

        利用齒輪傳動分析軟件 Romax 對變速箱傳動系統進行建模,用于齒輪強度分析及齒輪修形參數確定。各檔位齒輪參數見表 2,齒輪材料使用 20CrMnTiH,齒輪精度等級 7 級。


        對齒輪組及齒輪軸進行詳細建模并按照其幾何尺寸進行組裝,完成后的 Romax 模型如圖 1 所示。


        二、齒輪修形方案制定與驗證

        齒輪修形前分析

        失效時變速器在進行疲勞耐久試驗,輸入轉速 1 600 rpm,輸入扭矩 1 000 N·m,失效齒輪為中間軸一檔齒輪,一檔時動力傳遞路線如圖 2 所示。


        失效形式為齒面早期點蝕引起齒面剝落。觀察失效齒輪,有明顯的偏載現象,如圖 3 所示。


        設計階段對各檔位齒輪均進行過設計校核,一檔齒輪副接觸安全系數大于 1.1,滿足使用要求,不應出現早期點蝕的情況。同時對齒輪的表面硬度及硬化層深進行檢測,均在設計要求范圍內,可排除加工制造問題。根據失效現象及排查結果,可判斷異常失效與齒面偏載有十分密切的關系,確定偏載情況是解決問題的重要方向。

        對齒輪參數進行分析,變速器一檔齒輪副壓力角采用的大壓力角,且單級速比為 4.45,從而產生的齒輪徑向力較大,對殼體軸承座處施加的力也會更大;同時殼體采用的鋁合金材料,材料的彈性模量與傳統卡車變速器鑄鐵殼體相比小的多,受力產生的變形較大,使得齒輪安裝軸兩端偏移理論位置,造成齒輪軸線平行度差,引起齒輪偏載,與失效形式吻合。因此需要重新考慮齒輪修形方案,且重點考慮殼體變形造成的嚙合偏差。

        修形方案

        齒輪在實際使用中會因為加工誤差、材料變形等因素的影響,嚙合性能下降,存在沖擊、偏載等情況。齒面修形就是主動將偏差引入到齒輪中,使齒面輪廓偏離原本的理論齒廓,從而減小因誤差及變形引起的沖擊和偏載。需要注意的是齒面的修形量與齒輪的變形量有著十分密切的關系,不同工況下最佳的齒面修形量有所不同。

        齒面的微觀修形分為齒廓修形及齒向修形。

        對齒形方向進行齒廓修形,包括漸開線修形、凸度修形及齒頂修緣,目的為減少齒面偏載現象,抵消接觸變形,降低接觸應力、嚙合沖擊及傳遞誤差。

        對齒寬方向進行齒向修形,主要為鼓形修形,使得齒輪的齒面形成中間凸的形狀,優化齒面的接觸斑點;螺旋線修形,即在齒寬方向對螺旋角進行調整,減少偏載現象。

        根據失效原因分析,計算殼體變形引起的偏載。建立殼體有限元模型,在一檔最大輸入扭矩的工況下,對支撐傳動系統的軸承座孔進行受力分析,對殼體進行受力加載,分析軸承孔剛度,計算殼體變形量如圖 4 所示。根據殼體變形量,對齒輪軸線平行度進行計算,將水平方向上的變形等效替換到螺旋角方向上,進行補償修形,從而減少偏載現象。


        該模型中殼體變形引起的齒輪軸線水平方向平行度偏差如圖 5 所示,計算公式歸納為


        式中:fΣβ 為齒輪軸向總偏差;f ′Hβ1 為輸出軸軸承水平位移 62 μm;f″Hβ1 為輸入軸軸承水平位移 15 μm;f ′Hβ2 為中間軸前軸承水平位移 17 μm;f″Hβ2 為中間軸后軸承水平位移 53 μm。


        螺旋線補償修形量計算公式為


        式中:fβ 為螺旋線補償修形量;L 為軸長 260 mm;b 為齒寬 45 mm。

        計算所得螺旋線補償修形量約為 25 μm。

        修形參數確定

        考慮變速器實際使用工況,一檔用于滿載爬坡時使用,所需扭矩接近最大扭矩,因此修形按最大輸入扭矩 1 000 N·m 下進行。加入螺旋線補償修形,按照最優接觸斑點和最小接觸應力原則得出一檔齒輪最佳修形量見表 3。


        增加螺旋線補償修形前后失效的中間軸一檔齒輪齒面接觸斑點如圖 6 所示,接觸斑點有明顯改善,最大接觸應力下降了 22%,極大地改善了齒輪的嚙合性能,能夠有效提高齒輪的壽命。


        試驗驗證

        對重新修形后的齒輪再次進行試驗,相同試驗工況下原本失效的中間軸一檔齒輪并未出現點蝕,通過了疲勞耐久試驗(圖 7),證明新的修形方案有效地提高了齒輪疲勞壽命(圖 8)。


        三、結論

        本文針對應用于純電重卡的四檔變速器中間軸一檔失效問題,對齒輪進行了修形優化并進行了試驗驗證,得出如下結論。

        1)在沒有改變齒輪宏觀參數情況下,對齒面進行修形優化,提高了齒輪的疲勞壽命,解決了一檔齒輪點蝕問題。

        2)研究了殼體變形對齒面嚙合的影響,提出螺旋線補償修形并給出補償計算方法,優化了修形方案。

        3)對需要考慮殼體變形所造成偏載情況的大速比、輕量化殼體變速器齒輪的修形方向具有指導性作用,實際應用效果良好。

        參考文獻略.

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