變速器是車輛傳遞動力的主要裝置，齒輪和軸是變速箱的主要零部件。變速箱二軸與齒輪通過滾針軸承裝配。為更好潤滑齒輪內(nèi)安裝的滾針軸承，常在齒輪齒槽上設(shè)計油孔，以確保潤滑油能夠從二軸內(nèi)經(jīng)過滾子軸承，從齒輪油孔流出。

 

法士特某型變速箱在疲勞試驗中，發(fā)生多起變速箱異響，拆檢發(fā)現(xiàn)其二軸3檔齒輪出現(xiàn)斷齒現(xiàn)象，其余軸齒根部均有嚴(yán)重點蝕，達(dá)到失效標(biāo)準(zhǔn)。

 

故障分析

該型變速箱曾采用粗齒齒輪副，齒槽油孔直徑設(shè)計為3mm，整箱試驗及市場中均無故障發(fā)生。為優(yōu)化整車NVH特性，降低變速箱振動及噪音，將該箱型3檔齒輪副切換為細(xì)齒齒輪副，切換后在整箱試驗中發(fā)生多起斷齒故障。

 

拆檢故障件，斷齒位于齒輪油孔附近，其余軸齒根部均有點蝕，如圖1所示。

 

分析原因認(rèn)為：1）油孔會大幅增加齒輪齒根的彎曲應(yīng)力，嚴(yán)重影響齒輪工作壽命；2）帶油孔細(xì)齒齒輪根部彎曲應(yīng)力要大于粗齒齒輪，其齒根應(yīng)力增長已超出齒輪齒根彎曲疲勞極限；3）考慮加工鉆孔穩(wěn)定性較差，若油孔位置偏移，或許會加劇齒根斷齒情況。

 

目前，整箱試驗仍是驗證變速箱齒輪壽命的主要方法，但其也存在干擾因素多，試驗周期長、花費(fèi)大等缺點，因此迫切需要一種快速有效的分析手段，能夠明確故障原因，并尋找有效的改進(jìn)措施。

 

 

圖 1 二軸 3 檔齒輪斷齒

 

有限元法是一種以計算復(fù)雜力學(xué)模型的有效方法，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元方法在工程上的應(yīng)用越來越廣泛?，F(xiàn)有的商業(yè)有限元軟件很多，每個軟件都有各自的優(yōu)勢和應(yīng)用特長，ABAQUS軟件非常適用于解決非線性接觸收斂問題。

 

本文將結(jié)合ABAQUS對齒輪有限元模型進(jìn)行加載嚙合仿真，分析油孔對粗齒、細(xì)齒齒根應(yīng)力的影響，同時對比分析油孔偏差、油孔直徑等因素對齒根應(yīng)力的影響規(guī)律。分析結(jié)果應(yīng)用于今后齒輪油孔設(shè)計，對齒輪及潤滑設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

 

前處理

齒輪建模原理

建模過程中能否真實的反應(yīng)實體模型的幾何特點和結(jié)構(gòu)特征關(guān)系到有限元分析結(jié)果是否準(zhǔn)確。由于本文齒面設(shè)計包含齒向修形，且在實際加工中齒向修形主要利用蝸桿砂輪磨齒方法進(jìn)行加工，故本文采用基本蝸桿砂輪磨齒方法進(jìn)行齒輪建模。

 

基于MATLAB生成齒面曲線，使用Creo建立精確齒輪對三維模型，模型及齒輪參數(shù)表1所示。

 

表 1 齒輪參數(shù)

 

 

邊界設(shè)置

有限元計算的網(wǎng)格密度對有限元分析的結(jié)果影響很大，網(wǎng)格密度越大，計算結(jié)果越精確，但同時要求電腦配置越高，計算時間也越長。為了選取合理的網(wǎng)格密度，降低計算成本，計劃對齒輪整體劃分較粗網(wǎng)格，對幾個嚙合齒進(jìn)行加密處理，如圖 2 所示。

 

 

圖 2 模型及加載示意圖

 

齒輪傳動在嚙合傳動時是一個極強(qiáng)的非線性過程，其接觸位置、輪齒變形與受力都不能預(yù)先確定。在進(jìn)行計算時，每個嚙合位置都需要進(jìn)行多次非線性迭代計算，并判斷其收斂性。

 

本文使用 Abaqus 進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)方法求解，為了使齒輪更好的接觸，分析模塊建立 2 個分析步，均為幾何非線性。根據(jù)齒輪速比，計算扭矩加載：T=755Nm。

 

帶油孔齒輪應(yīng)力結(jié)果分析

采用上述設(shè)置，依次對比分析油孔對粗齒、細(xì)齒齒輪齒根應(yīng)力的影響，油孔向工作面偏移對齒根應(yīng)力的影響，油孔向非工作面偏移對應(yīng)力的影響，油孔直徑對應(yīng)力的影響。

 

油孔對粗齒、細(xì)齒的影響

拆檢變速箱發(fā)現(xiàn)，粗齒帶油孔齒輪未發(fā)生斷齒故障，細(xì)齒帶油孔齒輪發(fā)生斷齒，但細(xì)齒未帶油孔處齒輪無斷齒現(xiàn)象。故提出油孔是否會對細(xì)齒齒根造成更大損傷，首先對比粗齒帶油孔模型和細(xì)齒帶油孔模型的應(yīng)力情況。

 

圖3為粗齒、細(xì)齒齒輪副齒槽應(yīng)力云圖。粗齒帶油孔齒槽的最大彎曲應(yīng)力為554MPa，前后無油齒槽應(yīng)力僅為415MPa，油孔導(dǎo)致粗齒齒槽應(yīng)力增大139MPa。細(xì)齒帶油孔齒槽的最大彎曲應(yīng)力為698MPa，而前后無油孔齒槽應(yīng)力為486MPa，油孔致使細(xì)齒齒槽應(yīng)力增大212MPa。

 

 

圖 2 齒槽應(yīng)力云圖

 

上述可知，油孔導(dǎo)致細(xì)齒齒槽應(yīng)力增大212MPa，大于導(dǎo)致粗齒齒槽增大的139MPa，故認(rèn)定油孔對細(xì)齒齒根危害更大。同時，粗齒齒輪未發(fā)生斷齒故障，而細(xì)齒齒輪發(fā)生斷齒，也與細(xì)齒齒槽應(yīng)力遠(yuǎn)大于粗齒齒槽應(yīng)力有關(guān)，該工況下齒輪齒根疲勞極限介于554MPa與698MPa之間。

 

4.2 油孔向工作面偏移對應(yīng)力影響

上文中已明確細(xì)齒帶油孔齒輪易發(fā)生斷齒情況，故應(yīng)對該齒形及油孔位置對齒部應(yīng)力影響做出分析。

 

試驗所用細(xì)齒齒輪共設(shè)計有 4 個直徑為 3mm 的潤滑油孔，均分布于齒槽中間位置，但由于加工定位穩(wěn)定性較差，鉆孔過程經(jīng)常會出現(xiàn)油孔向一側(cè)偏移。

 

圖 4 為細(xì)齒模型，無油孔和帶油孔齒輪的齒根應(yīng)力云圖。齒槽無油孔時，齒槽最大應(yīng)力為 486MPa，齒槽中間開 3mm 油孔時，齒槽最大應(yīng)力為 698MPa。

 

 

圖 4 無油孔、帶油孔時齒槽應(yīng)力

 

對比可知細(xì)齒中設(shè)計油孔，可使應(yīng)力增大約44%，極不利于齒輪穩(wěn)定運(yùn)行。

 

圖5為細(xì)齒模型，直徑3mm的油孔向嚙合齒工作面偏移對齒槽應(yīng)力影響。D3油孔偏移

0.2mm時，最大應(yīng)力增大為742MPa；偏移0.4mm時，最大應(yīng)力增大為765MPa；偏移0.6mm時，最大應(yīng)力增大為793MPa。

 

 

圖 5 油孔向工作面偏移的影響

 

綜上：1）對比齒槽內(nèi)最大應(yīng)力，有直徑3mm油孔時，齒槽應(yīng)力比無油孔齒槽應(yīng)力大了212MPa，約44%，影響較大；2）D3油孔向工作面偏移時，齒槽應(yīng)力會逐步增大，油孔偏移0.6mm比油孔不偏移時，應(yīng)力增大了95MPa，約14%。

 

油孔向非工作面偏移對應(yīng)力影響

上述分析確定了油孔向工作面偏移，齒槽應(yīng)力會增大，若設(shè)計油孔向非工作面偏移，是否可有效降低齒槽應(yīng)力，針對此假設(shè)，本文亦進(jìn)行對比分析。

 

圖6為油孔向非工作面偏移時齒槽應(yīng)力云圖，圖示偏移-0.2mm即為向非工作面偏移0.2mm。直徑3mm油孔向非工作面偏移0.2mm時，齒槽最大應(yīng)力為676MPa；D3油孔向非工作面偏移0.4mm時，齒槽最大應(yīng)力為612MPa；D3油孔向非工作面偏移0.6mm時，齒槽最大應(yīng)力為578MPa

 

 

圖 6 油孔向非工作面偏移的影響

 

綜上：1）對比齒槽內(nèi)最大應(yīng)力，直徑3mm油孔向非工作面偏移時，應(yīng)力會逐步減小，偏移0.6mm時應(yīng)力降低了120MPa，約17%，效果較為顯著；2）油孔向非工作面偏移一定距離后，齒槽最大應(yīng)力已不在油孔周邊，而移至齒槽中央位置，這有利于齒輪穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

 

油孔直徑對應(yīng)力影響

上述分析均假定齒槽內(nèi)油孔直徑為3mm，若將油孔直徑縮小為2mm，是否也有利于降低

齒槽應(yīng)力情況。圖7為直徑3mm和直徑和2mm油孔時，齒槽的應(yīng)力云圖。3mm油孔處的最大應(yīng)力為698MPa，2mm處的油孔最大應(yīng)力為660MPa，降低了38MPa，約降低6%。

 

 

圖 7 油孔直徑的影響

 

油孔直徑縮小既不能有效降低齒槽應(yīng)力，又不利于齒輪及軸承潤滑，收效甚微。

 

結(jié)論

本文針對變速箱試驗中出現(xiàn)的斷齒現(xiàn)象，結(jié)合有限元方法，對比了有無油孔、不同位置油孔及不同尺寸油孔對齒根彎曲應(yīng)力的影響規(guī)律，形成如下結(jié)論：1）齒輪齒槽設(shè)計油孔，對細(xì)齒齒輪帶來的風(fēng)險更大，粗齒相比更為安全；2）油孔對齒根彎曲應(yīng)力影響較大，盡可能將其設(shè)計在齒坯位置；3）將齒槽油孔向非工作面偏移，可一定程度降低齒根彎曲應(yīng)力；4）縮小油孔直徑對降低齒根彎曲應(yīng)力收效甚微，且不利于齒輪及軸承潤滑。本文例中已將齒輪油孔設(shè)計改為齒坯位置，改后通過整箱疲勞試驗，改進(jìn)措施有效。

 

資料來源：達(dá)索官方