變速器輸出軸花鍵磨損原因分析

高林峰 馮冠華 張思明 劉 晗 王東升

(陜西法士特汽車(chē)傳動(dòng)工程研究院，西安，710119)

0 引言

花鍵由于其定心精度高、定心穩(wěn)定性好、齒根應(yīng)力集中小等優(yōu)勢(shì)，作為變速器常用的連接方式，可用于靜連接或動(dòng)連接。例如變速器輸入軸與離合器采用矩形花鍵動(dòng)連接；變速器主軸與同步器齒轂采用漸開(kāi)線(xiàn)花鍵靜連接；同步器齒轂與滑動(dòng)齒套采用漸開(kāi)線(xiàn)花鍵動(dòng)連接。

花鍵連接的主要失效形式有工作面被壓潰(靜連接)或者工作面過(guò)度磨損(動(dòng)連接)。

1 花鍵磨損問(wèn)題描述

一臺(tái)跑高速的6擋450 Nm輕卡故障變速器，其輸出軸與同步器齒轂采用漸開(kāi)線(xiàn)花鍵靜連接，裝配關(guān)系如圖1所示。

圖1 輸出軸與齒轂裝配示意圖

拆檢故障箱發(fā)現(xiàn)輸出軸與5/6擋同步器齒轂花鍵磨損嚴(yán)重，大約有1/2的花鍵齒已經(jīng)磨損，且整個(gè)花鍵長(zhǎng)度方向上有大量紅褐色油泥，檢測(cè)材質(zhì)主要是非磁性的FeO，內(nèi)外花鍵磨損形貌見(jiàn)圖2所示。

圖2 故障箱花鍵磨損形貌

2 花鍵磨損原因分析

2.1 花鍵連接強(qiáng)度校核

輸出軸與5/6擋同步器齒轂花鍵為靜連接，根據(jù)式(1)對(duì)花鍵連接強(qiáng)度進(jìn)行校核。

式中，ψ為花鍵載荷分配不均系數(shù)，一般取ψ=0.7~0.8；z為花鍵齒數(shù)；h為花鍵齒側(cè)面工作高度；l為花鍵齒工作長(zhǎng)度；d為花鍵分度圓直徑。

根據(jù)磨損花鍵參數(shù)，計(jì)算其擠壓應(yīng)力為70 MPa，小于花鍵靜連接100 MPa的許用擠壓應(yīng)力，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

2.2 花鍵磨損問(wèn)題復(fù)現(xiàn)

裝配全新花鍵，按表2中#1試驗(yàn)條件進(jìn)行臺(tái)架疲勞試驗(yàn)；10循環(huán)完成后拆檢花鍵如圖3所示，內(nèi)外花鍵無(wú)異常磨損，且無(wú)油泥產(chǎn)生。臺(tái)架疲勞試驗(yàn)未能復(fù)現(xiàn)花鍵磨損問(wèn)題。

表2 傳動(dòng)軸當(dāng)量夾角αe=3°的疲勞試驗(yàn)匯總

圖3 #1疲勞試驗(yàn)箱拆檢花鍵形貌

2.3 花鍵微動(dòng)磨損

常規(guī)疲勞試驗(yàn)未能復(fù)現(xiàn)花鍵磨損問(wèn)題，對(duì)比試驗(yàn)臺(tái)架與整車(chē)布置。整車(chē)變速器輸出軸與驅(qū)動(dòng)橋輸入軸難以布置重合，因此，傳動(dòng)軸輸入軸與輸出軸之間存在夾角，且輕卡多采用兩段式傳動(dòng)軸布置，為多十字軸萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)；而常規(guī)疲勞試驗(yàn)臺(tái)架傳動(dòng)軸采用雙十字軸萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)，且為同軸布置，無(wú)夾角。

根據(jù)單十字軸萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)分析，當(dāng)萬(wàn)向節(jié)主、從動(dòng)軸夾角為α?xí)r，主、從動(dòng)軸的角速度ω、ω關(guān)系如下：

式中，θ為主動(dòng)叉轉(zhuǎn)角，定義為萬(wàn)向節(jié)主動(dòng)叉所在平面與萬(wàn)向節(jié)主、從動(dòng)軸所在平面的夾角。

若不計(jì)萬(wàn)向節(jié)的摩擦損失，則主、從動(dòng)軸的轉(zhuǎn)矩T1、T2關(guān)系如式下：

對(duì)于主、從動(dòng)軸夾角為α的單十字軸萬(wàn)向節(jié)，由于其主、從動(dòng)叉軸的轉(zhuǎn)矩T、T作用在不同平面上。根據(jù)萬(wàn)向節(jié)叉與十字軸之間的約束關(guān)系分析可知，主動(dòng)叉對(duì)十字軸有主動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩T和作用在主動(dòng)叉平面的附加彎矩T＇；同理，從動(dòng)叉對(duì)十字軸也有從動(dòng)軸反轉(zhuǎn)矩T和作用在從動(dòng)叉平面的附加彎矩T＇。其中，附加彎矩T＇在(0~Ttanα)范圍內(nèi)變化，T＇在(0~Tsinα)范圍內(nèi)變化，變化周期為π。因此，附加彎矩會(huì)引起與萬(wàn)向節(jié)相連零部件產(chǎn)生周期性變化的彎曲振動(dòng)。

根據(jù)多萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)輸出軸與輸入軸的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，可將輕卡傳動(dòng)軸看作是主、從動(dòng)軸之間具有夾角α的單十字軸萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)；其中，α為輕卡傳動(dòng)軸的當(dāng)量夾角。由于變速器輸出軸與傳動(dòng)軸主動(dòng)叉固聯(lián)在一起，傳動(dòng)軸當(dāng)量夾角α引起的附加彎矩可使變速器輸出軸產(chǎn)生周期性變化的彎曲振動(dòng)。

2.4 花鍵間隙配合

輸出軸與齒轂花鍵齒側(cè)采用H6/e7的間隙配合，且大小徑也為間隙配合。當(dāng)變速器傳扭時(shí)，傳動(dòng)軸當(dāng)量夾角引起的輸出軸彎曲振動(dòng)使得內(nèi)外花鍵齒面在徑向產(chǎn)生微幅的相對(duì)滑動(dòng)，導(dǎo)致齒面磨損；這也解釋了齒轂與輸出軸花鍵采用靜連接，但出現(xiàn)了動(dòng)連接才會(huì)有的齒面過(guò)度磨損問(wèn)題。

2.5 花鍵潤(rùn)滑不足

根據(jù)圖1所示，花鍵處不能形成有效的潤(rùn)滑油循環(huán)，從而導(dǎo)致內(nèi)外花鍵因微動(dòng)磨損產(chǎn)生的大量FeO磨屑不能被潤(rùn)滑油及時(shí)的帶走，堆積在花鍵處形成油泥；同時(shí)，由于FeO磨屑的高磨粒性，花鍵在傳扭的過(guò)程中會(huì)加速齒面的磨損。

2.6 花鍵材料、表面硬度及粗糙度

輸出軸和齒轂花鍵的材料、表面硬度及粗糙度要求一樣，如表1所示；檢測(cè)磨損的內(nèi)外花鍵均滿(mǎn)足要求，未見(jiàn)明顯異常。

表1 齒轂與輸出軸花鍵對(duì)比

3 傳動(dòng)軸帶當(dāng)量夾角的疲勞試驗(yàn)

根據(jù)上述花鍵磨損原因分析，判斷輸出軸與齒轂花鍵磨損主要是由于傳動(dòng)軸當(dāng)量夾角引起的輸出軸振動(dòng)、花鍵間隙配合、花鍵潤(rùn)滑不足3方面原因共同導(dǎo)致。

輕卡由于布置原因，傳動(dòng)軸當(dāng)量夾角一般為3°~5°。為驗(yàn)證傳動(dòng)軸當(dāng)量夾角對(duì)輸出軸花鍵的影響，將試驗(yàn)臺(tái)架傳動(dòng)軸當(dāng)量夾角調(diào)整為3°。

根據(jù)多萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸當(dāng)量夾角α的計(jì)算公式：

式中，α、α分別為第一、第二萬(wàn)向節(jié)的夾角；當(dāng)?shù)谝慌c第二萬(wàn)向節(jié)主動(dòng)叉平面重合時(shí)定義為正，相互垂直時(shí)定義為負(fù)。

疲勞試驗(yàn)臺(tái)架變速器輸出軸與驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸入軸在同一豎直平面內(nèi)，且相互平行，所以傳動(dòng)軸第一、第二萬(wàn)向節(jié)夾角α=α；根據(jù)式(4)，為保證傳動(dòng)軸當(dāng)量夾角α=3°，需將傳動(dòng)軸第一、第二萬(wàn)向節(jié)的主動(dòng)叉調(diào)整至重合，得到傳動(dòng)軸第一、第二萬(wàn)向節(jié)夾角α=α=2.12°；同時(shí)，根據(jù)傳動(dòng)軸長(zhǎng)度500 mm，調(diào)整變速器輸出軸與驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸入軸在豎直方向的高度差為14.8 mm；傳動(dòng)軸當(dāng)量夾角α=3°的疲勞試驗(yàn)臺(tái)架如圖4所示。

圖4 傳動(dòng)軸當(dāng)量夾角αe=3°的疲勞試驗(yàn)臺(tái)架

按表2中#2試驗(yàn)條件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，5循環(huán)完成后拆檢花鍵如圖5所示，內(nèi)外花鍵均有磨損，且在花鍵處堆積有大量粉末狀紅褐色磨屑，檢測(cè)材質(zhì)主要為FeO。由于#2試驗(yàn)只針對(duì)6擋進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，與整車(chē)工況相比較為簡(jiǎn)單，而且由于花鍵處的潤(rùn)滑不足，導(dǎo)致花鍵處磨屑為干燥粉末狀，而故障箱花鍵處為油泥。

圖5 #2疲勞試驗(yàn)箱拆檢花鍵形貌

#2試驗(yàn)箱的花鍵磨損情況與故障箱基本一致，復(fù)現(xiàn)了故障箱的花鍵磨損問(wèn)題；同時(shí)，#1和#2試驗(yàn)對(duì)比也確認(rèn)了傳動(dòng)軸當(dāng)量夾角是導(dǎo)致變速器輸出花鍵磨損的主要原因。

4 花鍵磨損問(wèn)題改進(jìn)

由于整車(chē)變速器輸出軸與驅(qū)動(dòng)橋輸入軸難以布置重合，傳動(dòng)軸當(dāng)量夾角不能為0°，輸出軸的彎曲振動(dòng)無(wú)法避免。因此，將輸出軸與齒轂花鍵齒側(cè)H6/e7的間隙配合調(diào)整為H6/k6的過(guò)盈配合；同時(shí)對(duì)花鍵位置的潤(rùn)滑進(jìn)行了加強(qiáng)，改進(jìn)后潤(rùn)滑的循環(huán)油路如圖6紅色箭頭所示。

圖6 改進(jìn)后花鍵處的潤(rùn)滑循環(huán)油路

針對(duì)內(nèi)外花鍵齒側(cè)改過(guò)盈配合、花鍵處潤(rùn)滑加強(qiáng)改進(jìn)措施，試制相關(guān)零件，并按表2中#3試驗(yàn)條件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，10循環(huán)完成后拆檢花鍵如圖7所示，內(nèi)外花鍵無(wú)異常磨損，且無(wú)油泥產(chǎn)生，驗(yàn)證確認(rèn)了針對(duì)花鍵磨損問(wèn)題改進(jìn)措施的有效性。

圖7 #3疲勞試驗(yàn)箱拆檢花鍵形貌

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)變速器輸出軸與同步器齒轂花鍵過(guò)度磨損問(wèn)題，校核并分析了花鍵連接強(qiáng)度、內(nèi)外花鍵配合間隙、材料、表面硬度、表面粗糙度及傳動(dòng)軸當(dāng)量夾角對(duì)輸出軸的影響；并通過(guò)傳動(dòng)軸帶當(dāng)量夾角的臺(tái)架疲勞試驗(yàn)復(fù)現(xiàn)了磨損花鍵的故障表現(xiàn)。根據(jù)原因分析結(jié)果，將輸出軸與齒轂花鍵齒側(cè)調(diào)整為過(guò)盈配合，同時(shí)對(duì)花鍵潤(rùn)滑進(jìn)行加強(qiáng)，最終通過(guò)傳動(dòng)軸帶當(dāng)量夾角的臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)措施效果良好，為花鍵設(shè)計(jì)、故障處理提供了強(qiáng)有力的參考及指導(dǎo)意義。