汽车变速器齿轮齿端崩角失效分析及优化改进

李敏捷 余淼

摘 要：齿轮是汽车变速器关键传动零件，齿轮的正确啮合与疲劳寿命直接关系到变速器的工作性能和使用寿命。文章以某客车变速器为研究对象，针对变速器在总成疲劳寿命试验中出现的齿轮齿端崩角失效问题，应用金相检验、电镜观察、齿轮齿面拓扑、Romax计算分析、尺寸链计算等方法，逐步查明导致轮齿齿端崩角失效的原因，并根据分析结果对齿轮进行优化改进。通过实验验证了改进方案的可行性，最终解决了此齿端崩角问题。为类似的齿轮疲劳失效问题提供了可以借鉴的分析思路和验证方法。

关键词：变速器；齿轮失效；齿端崩角；改进

中图分类号：U462.1 文献标识码：B 文章编号：1671-7988（2018）17-118-03

Abstract： The gear is the key transmission part of automobile transmission， the correct meshing and fatigue life of gears are directly related to the working performance and service life of transmission. This paper takes a passenger car transmission as the research object， in view of the failure problem of gear tooth end breakage in the fatigue life test of gearbox， the failure reason of tooth end collapse angle is determined by metallographic examination， electron microscope observation， gear tooth surface topology， Romax calculation analysis and dimension chain calculation. According to the analysis results， the optimization of gears is improved， and the improvement scheme is validated by experiments， and finally the problem is solved. This method can be used for reference to the problem of fatigue failure of gears.

Keywords： transmission； gear failure； gear tooth end breakage； optimization

CLC NO.： U462.1 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）17-118-03

前言

傳动齿轮对于变速器属于关键零部件，齿轮的承载能力和可靠性直接影响着变速器总成的寿命和可靠性。在新产品性能和疲劳寿命验证阶段，检查齿轮是否出现齿面点蚀、轮齿折断等失效模式[1]，是判断试验通过与否的基本手段。对于非常规的失效模式，如早期点蚀断齿、个别轮齿齿端崩角等，就需要详细查找故障原因，并提出改进措施，最后通过实验验证改进措施的有效性。

1 问题描述

该产品是我公司开发的某款客车变速器，在台架寿命开发试验过程中出现比较异常的个别轮齿齿端崩角掉块现象。变速器正确连接在疲劳试验台架上，按试验大纲要求完成疲劳试验，试验过程中无明显异常或异响。完成疲劳试验后，拆检变速箱发现某档位主动档齿轮靠近同步器一侧的端面齿顶发生5个轮齿的齿顶异常崩角掉块，目测最严重一处掉块有1/4小拇指指甲盖大小，其余四处崩角的掉块与芝麻大小相当，轴承旋转无卡滞，壳体及其余零件均正常，未见明显失效。

从齿轮齿顶掉块形貌来看， 5 个崩齿均位于啮合面端面齿顶，分布在正对的两处，其中一处为4 个齿连续分布。单独发生崩齿的轮齿失效较为严重，断口呈平面形状，正对的4个相邻的轮齿，断口均呈“C”字形。齿顶掉块均比较小，在拆检时变速器中没有找到相应的金属块。经分析认为可能是在生产加工环节，比如在热处理之前磕碰导致的。为了进一步查找原因，我们对该故障齿轮做了理化检测分析。

2 问题分析及查找原因

首先考察齿轮几何尺寸、材料、热处理是否符合图纸要求。对齿轮材料及硬度做了检测，结果说明齿轮材质和热处理质量均符合图纸要求[2]。

接着考察齿轮是否在变速器装箱之前如机加工或热处理前发生磕碰导致齿顶崩齿掉块。对齿轮在扫描电镜下进行微观分析。崩齿形貌如图2所示。

从崩齿形貌来看，崩齿处局部断口特征为沿晶脆性断裂，说明崩齿发生在热处理之后；同时观察了崩齿轮齿的的邻近齿，临近的轮齿虽然没有表现出肉眼可见的崩齿掉块，但在电镜观察到仍已经产品显微裂纹；多个齿齿顶角有掉块痕迹，但崩齿处、显微裂纹和掉块位置均未发现塑性变形痕迹，认为崩齿和裂纹、掉块不是热后磕碰产生；由此可以确认，齿轮齿顶崩齿是在台架疲劳试验过程中产生的，推测齿顶角啮合时受到冲击载荷，顶角齿面产生微裂纹，裂纹逐步扩展最终发生崩齿。

考虑到齿顶崩齿掉块正好发生在率先进入啮合的一侧，考察齿轮副啮合时是否存在偏载导致率先进入啮合的一侧频繁受到冲击载荷导致崩齿掉块。齿轮传动系统受载后，齿轮轮辐、轴、轴承以及壳体等发生弹性变形，导致齿轮实际啮合位置偏离理论正确位置，出现不同程度的齿形和齿向偏载情况。当齿轮出现偏载时，容易导致齿轮早期点蚀或者断齿失效。早期点蚀是齿面疲劳损伤的常见形式，齿轮齿面在循环的接触应力作用下，齿面上产生微小裂纹导致剥落产生微小麻点损伤，在持续的循环接触应力作用下，麻点逐渐扩大最终形成明显的齿面凹坑。单纯提高齿轮的加工精度和安装精度来改善齿轮传动的偏载问题，成本较高[3]。通过合适的齿廓修形和适当的齿向修形手段可以有效的调整齿轮啮合位置，补偿齿轮受载变形后产生的啮合偏载，使齿轮在正确位置接触啮合，齿型修形和齿向修形是解决齿轮偏载问题的有效手段。

首先对失效齿轮进行精密测量，得到其实际齿面拓扑。根据变速器总成图纸建立变速器Romax模型，并对齿坯和壳体进行柔性化处理，选择变速器润滑油牌号及颗粒度代码，根据变速器疲劳试验大纲得到该档位齿轮疲劳寿命指标，根据该挡位转速和速比信息计算得到该挡位运行时间。针对齿轮图纸修形和齿轮实际齿面拓扑分别通过Romax接触分析计算得到该档位最大接触应力云图，图3a为按图纸修形，图3b按实测齿面拓扑。

从图中可以看出，按图纸修形，中间轴三挡轮接触无偏载。按实测齿面拓扑，中间轴3挡轮接触有轻微偏载，齿顶端的接触应力约为800Mpa，引起崩齿可能性不大。由此可知齿轮的轻微偏载不是导致齿顶崩齿掉块的主要原因。

在排除了齿轮几何形状、热处理等不符合图纸以及齿轮偏载导致崩齿掉块的原因之后，再次认真检查失效齿轮以及与失效齿轮配合的被动齿轮。该变速器为全同步器变速器，且为了减小轴向尺寸，多数同步器的结合齿圈直接焊接在输出轴齿轮上，与失效齿轮配合的被动齿轮与同步器结合齿圈焊接为一体成被动齿轮总成，经仔细检查发现，被动齿轮总成上的焊接齿圈在正对该档位主动齿轮的端面靠外圈处有一圈磨损痕迹。由此可以推断，该对齿轮副在啮合传递扭矩过程中，被动齿轮零件与主动齿轮在端面区域有接触，由于转速差的存在，出现磨损痕迹。同步器结合齿圈的外圈直径与被动齿轮齿轮的齿顶园直径正好相当。如图4所示。

假设主动齿轮轴向前移动到极限位置，输出轴向后移动到极限位置，通过校核尺寸链[4]，可知该档位主动齿轮与被动齿轮总成上的同步器结合齿圈之间的间隙X=0.70±0.695mm，从计算结果可知，该档齿轮副在极限情况下，主动轮与被动轮零件轴向间隙很小。该款变速器为全斜齿變速器，被动齿轮轴向力向后，主动齿轮轴向力向前，被动齿轮与同步器结合齿圈为焊接结构，在轴向力作用下，同步器结合齿圈向右轴向移动，最小间隙X=0.005mm。虽然最小间隙大于0，没有发生干涉，但由于两零件端面跳动误差和相对转速差的存在，结合齿圈端面局部会与主动小齿轮个别齿端面发生接触甚至产生挤压应力。

由此可知，该档主动齿轮靠近同步器一侧发生个别齿顶崩齿的主要原因是被动齿轮总成上的同步器结合齿圈右端面与主动齿轮左端面轴向间隙过小，在轴向力的作用下，发生摩擦甚至挤压，导致在疲劳台架试验过程中产生个别轮齿齿顶崩齿掉块的失效模式。

3 优化改进措施

通过一系列的问题分析和原因查找，最终确定了导致该异常失效模式的主要原因。失效原因明确了之后，改进措施只需对症下药。该异常失效的主要原因是主动、被动零件之间轴向间隙过小，在轴向力的作用下，发生摩擦甚至挤压，最终导致在疲劳台架试验过程中产生个别轮齿齿顶崩齿掉块的失效模式。因此，只需将主被动零件轴向间隙改大或者将回转零件的端面跳动误差改小即可。考虑到目前图纸上要求端面跳动误差在我司属于大批量零件的正常工艺水平，如果改小端面跳动，将额外的增加零件制造成本，因此改大主被动零件轴向间隙是比较良好的改进措施。具体措施就是减小中间轴三档齿轮在齿全高附近的齿宽。

4 优化方案试验验证

通过台架总成疲劳寿命验验正优化方案是否能解决失效问题。优化后的中间轴三档齿轮做变速器总成台架寿命疲劳试验，试验过程中三挡状态良好.没有发生异常振动或报警。试验完成后拆解试验样箱，检查中间轴三档齿轮和二轴三档齿轮总成齿面及端面情况，未发现点蚀现象和磨损现象。

5 结论

本文以客车车变速器为例，针对该变速器在台架总成寿命试验过程中出现的中间轴三档齿轮比较异常的个别轮齿齿端崩角掉块问题.应用金相检验、电镜观察、齿轮齿面拓扑、Romax分析、尺寸链计算等方法，分析异常齿端崩角掉块失效原因，并根据分析结果对齿轮进行优化改进以解决崩齿掉块问题。为类似的齿轮疲劳失效问题提供了可以借鉴的分析思路和验证方法。

参考文献

[1] 龙振宇.机械设计[M].机械工业出版社，2002.07.

[2] GB/T 230.1-2009金属材料洛氏硬度试验第1部分：试验方法.

[3] 白学斌，刘志勇，张晓丽，马振辉.汽车变速器齿轮偏载点蚀失效分析及优化设计[J].传动技术，2017.06：8-12.

[4] 张帆，宋绪丁.互换性与几何量测量技术[M].西安电子科技大学出版社，2007.