基于有限元的齿轮箱惰轮端面磨损分析

杜春鹏 王佳 闵运东 刘薇 刘伟忠

摘 要：在齿轮箱设计中，惰轮端面磨损经常出现，本文通过有限元方法深入剖析了惰轮磨损的根本原因，即惰轮受到轴向力或径向力产生的倾覆力偶矩，与壳体端面产生应力集中，造成剧烈摩擦，并提出了三种适用于不同结构环境的解决对策，经试验验证效果很好，为变速箱、取力器、驱动桥中的惰轮设计提供理论参考，避免以往经验设计的随机性，提高了设计效率。

关键词：齿轮箱惰轮；端面磨损；有限元分析；应力集中

中图分类号：U463.212 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2018）05-0020-04

Abstract： This paper aims at optimizing the structural parameters of a inclined leaf spring independent suspension. The parametrical CAE model of the leaf spring was established through ANSYS. And then the sensitivity analysis of key parameters， such as thickness and curvature， on the maximum stress of leaf spring was carried out. Considering the maximum stress is no more than 800Mpa， the structural parameters were optimized based on the objective that minimizing the weight of leaf spring

Key Words： Inclined Leaf Spring Independent Suspension； Structural Parameters； Finite Element； Maximum Stress； Optimization

前言

磨损是影响机械寿命的主要因素之一，对于齿轮系统，轮齿的过度磨损不仅会影响齿轮的传动精度和效率，还会造成机构振动、产生噪声等，严重时甚至会使轮齿断裂，造成重大事故。磨损具有缓慢的渐进性特点，对机械系统性能的影响也是一个渐进性缓慢失效过程，与突发性失效相比往往容易被忽视，但其危害性却很大[1]。对于齿轮磨损问题国內外学者作了多年的研究，但由于磨损问题的复杂性，至今仍没形成一套成熟有效的方法，以往的研究主要是以实验为主，通过实验测量磨损量或根据磨粒的铁谱分析、尺寸分析来预测齿轮轮齿的磨损程度，但是由于实验成本高，周期长，且不同的齿轮副、不同的工况条件其磨损特性也不一样，实验获得的结果缺乏普适性。基于理论分析，结合物理实验，应用数值仿真技术研究齿轮的磨损问题将是一条行之有效的途径[2]。齿轮传动是机械中最重要和应用最广泛的传动形式之一。在齿轮传动的失效形式中，齿面磨损占了很大一部分。国内外很多专家学者都在致力于研究渐开线圆柱齿轮啮合磨损，而针对惰轮磨损的研究很少，但惰轮在齿轮箱中占据了非常重要的位置，其磨损问题已经影响到了变速箱的整体性能。

惰轮是指夹在两个齿轮之间，与两个齿轮都啮合的齿轮，它的作用仅仅是改变前后两个齿轮的转动方向，而不改变传动比，不可改变位置。其中齿轮箱中倒档中间轮、行星轮，取力器中间轮都属于惰轮[3]。惰轮布置时通常用滚针轴承加壳体端面支撑，一对相反的接触力形成倾覆力矩由端面承担，就容易导致端面磨损[4]。某变速箱和取力器在试验中均出现了惰轮磨损，其关键原因在于惰轮采用传统的布置方式，没有考虑倾覆力矩产生的影响，因此进行惰轮端面磨损原因分析显得尤其重要。

1 齿轮箱惰轮的结构及磨损

惰轮与输入和输出齿轮同时接触，尤其是斜齿轮和两啮合点轴向错位的情况下，会产生较大的力偶矩，产生应力集中，对惰轮端面的损伤很大，甚至造成惰轮的烧蚀。某变速箱倒档惰轮处于输入轮和输出轮之间，如图1所示，由于两啮合点不在同一平面内，在试验过程中，惰轮端面产生严重磨损，磨损量超过1mm，如图2所示。目前传统的理论计算校核无法分析其原因，因此本文采用有限元法对惰轮磨损现象进行深入剖析并提出解决方案。

2 磨损原因分析

根据磨损的疲劳理论，当应力幅小于材料的弹性极限时，在弹性接触条件下，超过疲劳破坏的循环次数106就会发生破坏；如果应力大于材料的弹性极限，在塑性接触条件下，其应力循环次数只需几次或十几次就会发生低循环疲劳破坏。变速箱惰轮受到输入齿轮和输出齿轮施加的轴向及径向力偶矩，会造成惰轮沿一侧倾覆，如图3所示。通过有限元对齿轮箱惰轮进行强度分析的结果中，发现倾覆力矩是造成惰轮端面应力集中的主要原因，长时间的疲劳接触造成了端面磨损。

在有限元分析的基础上采用Romax分析软件进一步剖析磨损的原因，探索倒档惰轮端面安装间隙对磨损的影响。惰轮端面安装间隙为0.5mm，如图5所示。端面间隙及轴承游隙的存在会造成齿轮的倾斜，经Romax计算，该惰轮完全由轴承支撑时倾斜量为6.7rad，倾斜量大于端面安装间隙（如图6），造成端面尖角与壳体接触（如图7），接触力高达53103N。

3 解决对策研究

3.1 更改端面间隙

更改倒档惰轮端面安装间隙，使得端面安装间隙大于齿轮倾斜量，倾覆力矩由滚针轴承承担，经Romax分析，滚针轴承受载荷过大，寿命无法达到设计标准（台架试验台时200hrs），该方案对滚针轴承要求高。

3.2 更改端面接触

在壳体与齿轮端面间加耐磨垫片，如图8所示。考虑到端面间隙小不易进油，在齿轮端面开螺旋油槽利于润滑。此方案节省成本，结构更改小，适用安装空间小的变速箱倒挡惰轮。该方案已成功运用于东风某变速箱倒档惰轮中，下线产品没出现惰轮磨损现象。

3.3 更改錐轴承

方案将原来的滚针轴承去掉，倒档惰轮与倒档轴过盈配合，将锥轴承安装在壳体内，如图9所示。锥轴承支撑跨距长，既能很好地承担倾覆力矩，寿命长，又避免了端面直接接触，但需要较大的安装空间，成本较前两种方案高。在某取力器改进中应用了该方案，更改后，首先进行了Romax仿真分析，锥轴承寿命合格，超过台架试验标准200hrs（见表2），台架试验顺利通过，并经过一年多的道路试验未出现类似磨损问题，改善效果明显，得到了用户的广泛认可。

4 小结

惰轮磨损是齿轮箱设计中经常出现的问题，不同的结构需要不同的对策，不能一概而论，本文基于有限元深入剖析了惰轮磨损的原因，并提出了三种解决对策适用于不同结构环境，找出了问题的本质所在，明确了惰轮布置规范，积累了理论和试验依据，避免以往经验设计的随机性，提高了设计效率，减少了市场索赔，为所有齿轮箱惰轮提供设计参考，实用价值大。

参考文献：

[1]温诗铸.摩擦学原理[M].北京：清华大学出版社，1990.

[2]王淑仁，闫玉涛，殷伟俐.齿轮啮合摩擦疲劳磨损的计算模型[J].东北大学学报（自然科学版）， 2012（08）.

[3]滕红智，赵建民，贾希胜.基于状态空间模型的齿轮磨损预测研究[J].机械科学与技术，2011（11） .

[4]刘磊，陈建，金鹏.倒档惰轮总成端面烧伤的研究[ J ].管理观察，2015（04）.

[5]尹芳莉，谭建平，何雷.强冲击下变速箱滚动轴承故障诊断[J].广西大学学报，2014（03）.

[6]黄晓辉，张丽焕.某变速箱轴承失效分析[J]. 哈尔滨轴承，2014（02）.

[7]陈加云.汽车惰轮结构的改进[J].机电信息，2012（21）.

[8]T.Y.Wu，J.C. Chen，C.C. Wang. Characterization of gear faults in variable rotating speed using Hilbert-Huang Transform and instantaneous dimensionless frequency normalization[J]. Mechanical Systems and Signal Processing . 2012.