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landdfq

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[资源] 转载 | 150 万公里变速器的齿轮失效分析与优化设计

|b10150 万公里变速器的齿轮失效分析与优化设计

摘要：通过对某重型变速器台架耐久试验主箱一挡齿轮失效问题的分析，查找变速器齿轮传动失效问题的原因；采用 masta 软件建立变速器齿轮仿真模型，并对模型进行分析计算，计算结果与齿轮失效现象相吻合；根据失效原因对齿轮参数进行优化设计，对优化后的一挡齿轮重新建模分析，分析结果表明优化后的齿轮参数满足设计要求；为验证优化后齿轮设计的有效性，重新进行台架试验，并通过了台架试验验证，为促进 b10150 万公里重型变速器新产品的快速开发提供了强有力的设计支撑。
关键词：变速器；齿轮失效；分析；优化设计；试验；b10

1  引言
近年来，中国市场对重型商用车车辆的需求量越来越大，出于国家能源安全、节能环保及舒适性等要求，重型商用卡车向着大吨位、大马力、长寿命、多挡化、轻量化及专业化等方向发展[1-2]。由于发动机输出功率和最大扭矩越来越大，整车 b10 设计寿命也由目前 80 万公里迈向 150 万公里及中国复杂多变的路况等因素，对商用车重型变速器产品的寿命耐久性提出了更高的要求。为了满足市场需要，将现有产品快速导入市场，某重型变速器在进行最大输入扭矩提升开发过程中发生了一挡齿轮失效问题，通过对失效齿轮进行分析及仿真计算，研究齿轮失效原因，并基于问题为导向对失效齿轮开展优化设计，开发出了高可靠性[3]、长寿命特点的重型变速器总成，从而满足了国内用户对商用车重型变速器的需要。

2  齿轮失效特征
某重型商用车 12 挡变速器采用 6×2 双中间轴结构，变速器壳体采用铝合金材料，变速器速比范围（16.408～1.0）。该变速器总成在进行台架寿命试验时，在第8.7 个循环（共 10 个循环），主箱一挡齿轮产生了严重点蚀等失效问题，如图 1 所示。
从失效齿轮齿面观察，主从齿轮均存在一定偏载现象，主从齿轮齿面均产生点蚀剥落，齿面下齿面较上齿面磨损严重，齿面压应力可能偏大，需对失效原因进行分析研究。

3  齿轮失效原因分析
3.1  齿轮材料理化分析
采用金相显微镜、能谱仪等现代分析仪器对失效齿轮进行金相、硬化层深及化学成分等检测，检测结果，如表 1、图 2 所示。齿轮材料组织、齿面硬度和齿轮有效渗碳硬化层深检测结果均符合图纸设计要求。排除了材料与热加工方面的可能性。
由于变速器总成齿轮已经运行了 8.7 个循环，因喷丸工艺在齿轮表面产生的残余压应力已释放殆尽，通过对同批次生产的其他主从齿轮对进行齿轮表面残余压应力检测，检测结果显示次表面（0.4μm）残余压应力不低于 960mpa，满足设计要求。齿轮强化工艺方面合格，齿轮残余压应力检测结果，如图 3 所示。

3.2  齿轮强度仿真计算
3.2.1  变速器 3d 仿真分析模型
根据该变速器总成齿轮、轴、轴承、壳体等部件结构布置和详细设计参数，并借助齿轮专业分析软件 masta 建立齿轮计算模型，模型包括各挡齿轮、轴、轴承、同步器等。变速器功率流由输入轴输入，经主箱常啮合齿轮分流给两个中间轴总成，然后汇集到主箱二轴，输出给副箱输入齿轮，再经由副箱中间轴，最后汇集到副箱输出轴输出。变速器总成最大输入扭矩 2300nm，输入转速 1100r/min。为确保变速器总成轴齿等零件 cae 仿真的准确性[4-5]，将变速器壳体进行结构柔性化处理[6]，通过有限元分析软件 abaqus 将壳体的刚度矩阵浓缩到 11 个轴承孔处，在 masta 齿轮计算分析软件中共同建立齿轮强度仿真计算模型，如图 4 所示。

SMT官方网站 MASTA 软件
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