汽車變速器總成帶載齒輪接觸斑點測試方法研究

陳 逢， 張敬彩， 封 楠， 弓 宇， 程 曼， 石獻金

（機械科學(xué)研究總院集團有限公司 中機生產(chǎn)力促進中心， 北京 100044）

0 引言

汽車變速器齒輪接觸斑點是指變速器總成在傳遞不同扭矩條件下， 對應(yīng)受載齒輪副因嚙合傳遞扭矩而產(chǎn)生的接觸印痕。變速器齒輪接觸斑點的優(yōu)劣，不僅影響變速器齒輪疲勞壽命， 同時也影響變速器噪聲性能。 變速器帶載接觸斑點測試是保證齒輪修形設(shè)計合理化的必要手段，汽車變速器齒輪接觸斑點試驗是汽車變速器企業(yè)進行正向開發(fā)和質(zhì)量保障不可缺少的開發(fā)試驗環(huán)節(jié)。

1 變速器齒輪接觸斑點測試的作用與意義

汽車變速器齒輪接觸斑點測試旨在考核不同載荷水平下變速器齒輪齒面接觸的實際情況與變化規(guī)律，驗證齒輪齒向修形、齒廓修形等設(shè)計參數(shù)的合理性，并以此為基礎(chǔ)找出齒形、軸系、殼體等整個變速器設(shè)計中的缺陷和不足，通過改進設(shè)計，提升變速器的承載能力和壽命，改善噪聲性能。

汽車變速器接觸斑點測試結(jié)果可以與系統(tǒng)仿真分析軟件分析結(jié)果進行對比，指導(dǎo)軟件模型修正，提高軟件分析結(jié)果可靠性；還可以用來檢測變速器零部件加工質(zhì)量，以及變速器總成裝配質(zhì)量。

變速器齒輪接觸斑點測試通過保證變速器齒輪實際接觸斑點的合理性，以及與設(shè)計分析結(jié)果的一致性，可提高變速器齒輪疲勞耐久可靠性，并改善其噪聲性能。 對于任何一款新研發(fā)的或改進的汽車變速器產(chǎn)品， 均應(yīng)首先進行加載情況下的齒輪接觸斑點測試。

2 變速器齒輪接觸斑點的正確測試方法

2.1 系統(tǒng)總成加載齒輪接觸斑點測試的必要性

汽車變速器由箱體、軸、軸承及齒輪等多個零部件組成。 由于各個零件必然存在制造誤差，同時裝配誤差也不容忽視。 再加上，汽車變速器為控制功率密度和多檔位傳動設(shè)計需要，一般軸承跨距大，齒輪軸、軸承的直徑小，因此各個零件受載后的變形較大。 因此安裝在汽車變速器總成中的齒輪，其接觸斑點一定會偏離理想狀態(tài)，而且在傳遞不同扭矩時，齒輪的接觸斑點大小與位置也不同。所以，單獨針對一個齒輪與標(biāo)準(zhǔn)齒輪嚙合進行接觸斑點的測量，得到的接觸斑點不能代表齒輪在汽車變速器中的實際接觸斑點，無法用于評判變速器齒輪的接觸斑點狀態(tài)[1-2]。

要想獲得變速器工作狀態(tài)下的齒輪真實接觸斑點形狀與位置，必須以變速器總成作為試驗對象，并且在施加不同水平的載荷條件下進行試驗測試。 這正是本文所研究的變速器總成加載齒輪接觸斑點試驗方法。

2.2 變速器總成齒輪接觸斑點的正確測試方法

如上所述，汽車變速器總成齒輪接觸斑點測試，以變速器總成為測試對象， 通過對試驗箱加載不同水平扭矩進行測試，以驗證變速器齒輪在不同工況下的接觸斑點，及其隨載荷變化的趨勢。

分析可知， 接觸斑點測試的關(guān)鍵是保證可以獲得不同加載水平下的齒輪接觸斑點[3]。 然而，普通變速器疲勞壽命試驗臺或綜合性能試驗臺一般是在變速器齒輪開始運轉(zhuǎn)后才逐漸加載， 在這種試驗臺上進行齒輪接觸斑點測試， 所呈現(xiàn)的齒輪接觸斑點是不同載荷水平下接觸斑點的疊加， 不能反映不同加載水平下齒輪的實際接觸印痕情況，且很有可能誤導(dǎo)設(shè)計人員。

圖1 給出了希望獲得的不同載荷水平下的變速器齒輪接觸斑點與運轉(zhuǎn)開始后逐漸加載所獲得的疊加測試結(jié)果的關(guān)系，從圖中可以看出其間的區(qū)別。

圖1 定值載荷接觸斑點與多載荷水平疊加接觸斑點

因此， 如何保證能夠獲得不同載荷水平下的接觸斑點，是接觸斑點測試設(shè)備需要解決的關(guān)鍵問題。

3 變速器接觸斑點測試設(shè)備與關(guān)鍵技術(shù)

為實現(xiàn)上述測試方法， 本文提出了汽車變速器齒輪接觸斑點帶載啟動測試技術(shù)，并研制出相應(yīng)的試驗設(shè)備。

要獲得不同載荷水平下齒面接觸的實際情況與變化規(guī)律， 汽車變速器接觸斑點試驗臺必須滿足以下的技術(shù)要求[4-5]：

3.1 技術(shù)要求

（1）可以實現(xiàn)不同載荷水平的自由設(shè)定，能實現(xiàn)先加載、后啟動，或在啟動瞬間載荷達到目標(biāo)值，保證載荷在齒輪回轉(zhuǎn)很小角度就可以達到加載目標(biāo)值， 而且在試驗過程中能保持同一載荷水平， 使接觸斑點與載荷水平一一對應(yīng)。

（2）滿足很低的輸入轉(zhuǎn)速下無級調(diào)速及穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，使得試驗時不必加入潤滑油， 便于齒面試驗涂料的保護和形成清晰的接觸斑點。

接觸斑點試驗臺可采用電機+摩擦制動器、 雙電機或三電機的整體布局結(jié)構(gòu)，圖2 是本文所研究的汽車變速器齒輪接觸斑點試驗臺照片，完全滿足上述對汽車變速器接觸斑點試驗測試的要求。

圖2 汽車變速器總成帶載齒輪接觸斑點試驗臺

3.2 技術(shù)特點

試驗臺具備以下技術(shù)特點：

（1）單一扭矩水平測試。為了獲得待測扭矩水平下的接觸斑點， 測試系統(tǒng)能夠在開始運轉(zhuǎn)前加載至待測扭矩， 測試得到的印痕不受加載過程中其他扭矩水平印痕的影響，測試結(jié)果真實可靠。

（2）穩(wěn)定性好。試驗臺低速穩(wěn)定性好，測試過程中能夠保持轉(zhuǎn)速、扭矩穩(wěn)定；轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性優(yōu)于±0.1rpm，扭矩穩(wěn)定性優(yōu)于±1%FS。

（3）零速帶載啟動。 試驗臺配備高端變頻控制器，通過專有矢量控制技術(shù)，實現(xiàn)大扭矩帶載啟動。

（4）高精扭矩檢測。 試驗臺配備高精度扭矩傳感器，扭矩測量精度±0.05%FS；扭矩信號閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，實現(xiàn)精準(zhǔn)控制。

（5）試驗扭矩標(biāo)定。 試驗臺配備試驗扭矩標(biāo)定系統(tǒng)，預(yù)先采集被試件各檔位扭矩與控制電流的相關(guān)曲線并擬合，獲得標(biāo)定系數(shù)，實現(xiàn)測試過程中精準(zhǔn)加載。

（6） 自主知識產(chǎn)權(quán)。 試驗臺操作控制軟件為自主研發(fā)，具有軟件著作權(quán)。

典型試驗臺技術(shù)參數(shù)見表1。

4 變速器總成帶載齒輪接觸斑點測試方法的應(yīng)用

4.1 科學(xué)的齒輪修形設(shè)計與定型

如何確定變速器每對齒輪的合理修形參數(shù)， 對于國內(nèi)很多公司來說都沒有很好的辦法[6]。因此大部分變速器的齒輪修形參數(shù)不夠合理。 這不僅會嚴(yán)重影響變速器齒輪的強度，而且使變速器產(chǎn)生嘯叫的可能性很大。

正確確定汽車變速器齒輪修形參數(shù)， 需要進行三步工作。首先，在設(shè)計階段需要通過系統(tǒng)分析軟件準(zhǔn)確分析計算齒輪的錯位量， 即齒輪在實際工作過程中偏離理想位置的程度， 然后根據(jù)齒輪錯位量大小及其變化量確定相對合理的齒輪修形參數(shù)；第二步，通過對汽車變速器進行接觸斑點測試試驗，驗證所設(shè)計的齒輪修形的合理性，及其與軟件分析結(jié)果一致性； 第三步根據(jù)測試結(jié)果確定各對齒輪的最佳修形參數(shù)。 圖3 展示了這一過程。

圖3 科學(xué)的齒輪修形設(shè)計與定型過程

4.2 齒輪修形優(yōu)化設(shè)計案例與效果

國內(nèi)某變速器企業(yè)， 采用本文所研究的變速器總成齒輪接觸斑點帶載測試方法， 采用文中所描述的具備帶載啟動功能的接觸斑點測試設(shè)備，針對某款存在NVH 問題的變速器， 進行齒輪修形優(yōu)化設(shè)計， 達到了很好的效果。 圖4 為這一案例的實施過程及效果。

圖4 接觸斑點測試與齒輪修形優(yōu)化設(shè)計效果

5 結(jié)論

本文所研究的變速器總成帶載齒輪接觸斑點測試方法科學(xué)、 合理， 研制的設(shè)備能夠完全體現(xiàn)測試方法的要求， 應(yīng)用于變速器設(shè)計分析軟件驗證和變速器產(chǎn)品性能改進，收到了很好的效果。