齿面微观修形对齿轮微点蚀的影响

寇仁杰， 陈伟， 李丹

（安徽江淮汽车股份有限公司，合肥 230601）

0 引言

微点蚀是指齿轮工作过程中齿面出现的肉眼可见的灰斑现象，微观上表现为微小疲劳裂纹并伴随材料的移失。国内外学者普遍认为微点蚀是一种发生在微接触区的接触疲劳损伤，但其具体产生机理尚不完全明确［1］。国外对微点蚀的研究已取得一些成果，比较倾向性的意见是通过齿面间油膜厚度比来计算和评价齿轮抗微点蚀能力。

齿轮微点蚀常见于渗碳淬火的硬齿面齿轮，近几年随着国内自动变速器技术的发展，对齿轮精度提出更高的要求，越来越多的齿轮采用渗碳淬火后磨齿加工工艺，加上自动变速器润滑油黏度比手动变速器低，不易形成油膜，使得微点蚀现象越来越突出。微点蚀在齿面上产生的磨损会改变齿轮的形状，齿轮形状的变化会导致载荷集中在较小的区域，从而影响齿轮传动精度，导致振动、噪声问题，严重时增加疲劳失效的机会，引发点蚀。

1 齿轮微点蚀的计算方法

ISO/TR 15144-1：2010《直齿和斜齿圆柱齿轮的微点蚀承载能力计算-第1部分：概述和基本原则》是国际标准化组织专门针对齿轮“微点蚀”的计算和评价方法发布的技术报告，报告中列举了方法A和方法B两种计算准则。方法A对齿轮啮合过程中齿面上每一个接触位置的应力进行计算，同时考虑了轴的变形以及轴承自身刚度及游隙等影响因素，最终准确得出每个啮合位置上齿面的载荷分布情况［2］。使用这种方法虽然计算结果精确，但工作量非常大，需要借助专业齿轮计算软件来完成。方法B则比较简单，只对啮合过程中几个关键的位置进行计算，得到各点的油膜厚度比，筛选出最小值即可。此外，方法B主要针对未修形的渐开线齿轮，实际工程中，大部分齿轮都经过齿廓修形，所以方法B存在一定局限性，很难得到实际应用。

齿轮微点蚀承载能力计算基本公式：

式中：Sλ为抗微点蚀安全系数；Sλ，min为许用最小抗微点蚀安全系数；λGF，min为接触区最小膜厚比；λGF，Y为接触区膜厚比；λGFP为许用膜厚比；Ra为接触区有效平均粗糙度；Ra1为齿轮1齿面平均粗糙度；Ra2为齿轮2齿面平均粗糙度；hY为齿面间油膜厚度；ρn，Y为接触区某点法向曲率半径；GM为与材料相关的参数；UY为与速度相关的参数；WY为与载荷相关的参数；SGF，Y为与滑动系数相关的参数。

上述计算过程涉及大量参数的确定，特别是许用膜厚比λGFP需要通过试验确定，计算结果的准确度取决于参数的可靠性，因此报告中并没有推荐许用最小安全系数范围。应用时需要根据公式中参数来源的准确性、齿轮使用环境、微点蚀对使用寿命、性能的敏感程度来选择合适、经济的安全系数。针对定型产品的优化，可以调整的参数有限，保证其他条件不变，只研究齿轮微观修形单一参数对微点蚀的影响，可以直接通过对比最小膜厚比λFG，min来评价。

2 修形方案优化

齿轮受载发生变形，导致齿面接触应力分布不均匀，造成载荷局部集中，加剧齿轮的磨损。齿轮微观修形通过对理论齿廓的修正，使齿轮受载变形后齿面应力分布尽可能均匀，减少偏载，改善微点蚀现象。工程师以往只能根据经验设计修形，再结合多轮的试验进行修正。随着对修形理论的不断研究和发展，一些专业的齿轮计算软件（如KISSsoft）能综合考虑系统的变形，为用户提供更准确的计算结果。根据初始修形方案的试验结果结合软件计算可以快速地完成齿轮修形的优化设计。

某双离合自动变速器齿轮经过耐久试验后，齿面发现大面积微点蚀现象，如图3，全齿面分布肉眼可见的灰色斑点，尤以右端节圆以下区域最为严重。以该齿轮为研究对象，通过优化微观修形来改善其齿面微点蚀现象。该齿轮材料为20MnCr5，采用渗碳淬火后磨齿加工工艺，齿面粗糙度 Ra0.8，模数 1.9 mm，压力角 16°，螺旋角 30°。

表1 驱动面微观修形优化结果

根据图3中齿面微点蚀区域的分布情况，修形优化的方向应该是适当增大齿顶修缘来减轻节圆以下区域的应力集中，同时适当增加螺旋角修形来改善齿宽方向的偏载现象。结合KISSsoft软件用ISO/TR 15144-1：2010中方法A计算不同修形优化方案对应的最小膜厚比，综合考虑从中选择最优结果见表1，表1中不同修形方案对应的膜厚比计算结果见图1和图2。

图1 初始修形计算最小膜厚比

3 试验验证

为了验证优化方案是否能有效改善微点蚀现象，对表1中两种修形参数的齿轮在变速器整机中进行快速加载试验。选择检测合格的样件，采用同样的试验方法和试验条件，试验工况为输入转速3 000 r/min，输入扭矩270 N·m。根据经验，在该试验工况下，20 h后齿面微点蚀状态趋于稳定，不再扩散，拆机观察。

图2 优化修形计算最小膜厚比

3.1 宏观形貌

观察试验后2个齿轮齿面的宏观形貌，见图3和图4，对比图3和图4可明显看出，图3中齿面节圆以下微点蚀较严重的区域在图4中对应区域有明显改善且面积变小，图4整个齿面微点蚀现象较图3有明显改善。说明从宏观形貌上，该修形优化方案对微点蚀现象有明显的改善效果。

图3 初始修形试验后齿面

图4 优化修形试验后齿面

3.2 磨损量

齿面磨损伴随材料的移失，导致齿廓发生变形，所以可以通过检测齿廓曲线对比磨损量进一步验证优化修形对齿面微点蚀的改善情况。试验后检测2个齿轮齿宽方向距左端面70%附近微点蚀最严重区域的齿廓曲线，结果见图5和图6。对比图5和图6可以看出，同等试验条件下，优化修形的齿轮相同位置磨损量有一定减小。进一步说明该修形优化方案对微点蚀现象起到了改善效果。

图5 初始修形试验后齿面磨损量

图6 优化修形试验后齿面磨损量

4 结论

油膜厚度是评价齿轮抗微点蚀能力的参数，试验证明，适当地优化齿轮修形参数增加油膜厚度，能有效改善齿轮微点蚀现象。

对于微点蚀问题，国内外研究焦点主要集中于提高润滑油的黏度，在润滑油中加入某些化学添加剂等方式去改善。针对双离合自动变速器，其润滑油兼做液压油，黏度较手动变速器要低，不易形成油膜，更容易发生微点蚀，而发现微点蚀问题的时候，样机已经设计完成，可优化调整的参数有限，这种情况下通过优化齿轮微观修形来改善微点蚀现象不失为一个经济、有效的选择。

［1］ 王鹏，张宽德，丁芳玲，等.润滑油抗微点蚀性能试验研究［J］.润滑油，2013，28（4）：42-47.

［2］ 徐宏，叶茂，Kissling U.基于ISO/TR 15144-1的“微点蚀”计算在 KISSsoft软件的应用［J］.机械传动，2013，37（2）：103-108.

［3］ 颜力，刘忠伟.兆瓦级风电齿轮微点蚀的研究［J］.机车车辆工艺，2012（6）：10-14.

［4］ ISO/TR 15144-1 Calculation of micropitting load capacity of cylindrical spur and helical gears-part 1：introduction and basic principles［S］.

［5］ GB/T 3481-1997 齿轮轮齿磨损和损伤术语［S］.

［6］ 李润方.齿轮传动的刚度分析和修形方法［M］.重庆：重庆大学出版社，1998.