某重型變速箱異響故障分析與研究

陳俊巖，胡佑斌，秦正健，曹德斌

某重型變速箱異響故障分析與研究

陳俊巖，胡佑斌，秦正健，曹德斌

（中國重型汽車集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 255000）

重型變速箱在商用車的傳動(dòng)系統(tǒng)中占重要地位，其好壞能直接影響到駕駛的舒適性和操縱性。為適應(yīng)商用車大功率發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢及匹配需要，文章通過分析某重型變速器齒輪傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)，最后歸納了變速箱的常見故障及原因分析，提出了在變速器設(shè)計(jì)中的主軸浮動(dòng)及潤滑措施，為變速箱異響故障診斷、變速箱設(shè)計(jì)提供依據(jù)和參考。

重型變速箱；齒輪傳動(dòng)；故障診斷；異響分析

重型汽車傳動(dòng)系中，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力通過離合器傳遞給變速器，變速器將其改變?yōu)楹线m的速比后經(jīng)過傳動(dòng)軸、主減速器、差速器、半軸傳遞到車輛的驅(qū)動(dòng)輪，在這一過程中其速比變化主要依賴于齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)[1]。由于重型車輛工作條件惡劣，變速器載荷大、擋位多，因而其故障頻率較高，給廠商和消費(fèi)者帶來損失。為了減少變速器故障的出現(xiàn)，對故障快速定位，本文通過分析某重型變速器齒輪傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)，對該變速箱總成異響故障進(jìn)行分析與研究。

1 變速器結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

重型變速器為閉式齒輪傳動(dòng)，其主箱結(jié)構(gòu)有單中間軸和雙中間軸，如中間軸結(jié)構(gòu)，重汽HW變速器常見的結(jié)構(gòu)為雙中間軸結(jié)構(gòu)。變速器后副箱的結(jié)構(gòu)有雙ZF系列常見的結(jié)構(gòu)為單中間軸結(jié)構(gòu)和行星結(jié)構(gòu)傳動(dòng)，如ZF及重汽HW系列常見的結(jié)構(gòu)為行星傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，解放系列變速器常見的結(jié)構(gòu)為雙中間軸結(jié)構(gòu)。

本文分析的變速箱總成由雙中間軸+行星輪系構(gòu)成，如圖1所示。雙中間軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主軸齒輪靠中間軸齒輪定位，其振動(dòng)量比定軸輪系要大。因此，正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中噪音也相應(yīng)大一些，如果噪音過大，出現(xiàn)轟鳴聲、尖叫聲等，則其運(yùn)動(dòng)件可能出現(xiàn)失效，如齒輪、軸承。

圖1 雙中間軸+行星輪系

2 失效形式及原因分析

2.1 噪聲發(fā)生機(jī)理

重型變速器的動(dòng)力傳遞主要是通過輪齒共軛齒面連續(xù)的相互作用實(shí)現(xiàn)的[2-3]。重型變速器中噪聲的主要來源有：齒輪系統(tǒng)本身齒輪嚙合的動(dòng)態(tài)激勵(lì)、變速器本體的振動(dòng)、負(fù)載變化等[4-5]。因此，當(dāng)發(fā)生變形和誤差導(dǎo)致非理想狀態(tài)的齒輪嚙合是變速器異響的主要原因，外部原因可能由于發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器或傳動(dòng)軸的振動(dòng)傳遞到變速器的輸入軸或輸出軸上，使變速器產(chǎn)生諧振，使噪聲進(jìn)一步被放大，噪聲發(fā)生機(jī)理如圖2所示。

圖2 噪聲發(fā)生機(jī)理

2.2 齒輪受力分析

受力情況分析：直齒齒輪輪受力只在兩齒輪嚙合時(shí)會(huì)產(chǎn)生力的作用，嚙合齒的受力情況如圖3所示，n的方向?yàn)閲Ш宵c(diǎn)的法線方向。

式中，t為圓周力；n為法向力；r為徑向力；1為齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩；1為分度圓直徑；為嚙合角。

圖3 外嚙合平面受力圖

2.3 失效形式及故障研究

2.3.1齒輪失效

變速器齒輪系統(tǒng)中零部件結(jié)構(gòu)及相互連接關(guān)系是一個(gè)復(fù)雜的彈性機(jī)械系統(tǒng)，齒輪的主要失效形式為點(diǎn)蝕、磨損、折斷、膠合[6]。

齒面點(diǎn)蝕：變速器作為閉式傳動(dòng)系統(tǒng)，齒面接觸應(yīng)力是交變的，在接觸應(yīng)力反復(fù)作用后，齒面會(huì)產(chǎn)生微小裂紋，同時(shí)在齒輪的不斷擠壓下潤滑油壓上升導(dǎo)致裂紋增大，齒面金屬脫落或形成小麻坑，根據(jù)章節(jié)2.2中對齒輪嚙合受力情況的分析，這一現(xiàn)象主要出現(xiàn)在靠近節(jié)線的齒根面處。

齒面磨損：齒面間有硬屑進(jìn)入，嚙合時(shí)在徑向力為r產(chǎn)生相對滑動(dòng)摩擦造成磨損，導(dǎo)致齒形變瘦。

齒面膠合：低速重載時(shí)潤滑油膜破裂，在摩擦力作用下產(chǎn)生局部高溫進(jìn)而出現(xiàn)冷焊粘著，齒輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致粘焊處撕裂，形成溝痕，如圖4所示。

圖4 齒輪失效

輪齒折斷：折斷可分為疲勞折斷和過載折斷兩種。疲勞折斷可以根據(jù)折斷面痕跡來觀察，其分為靜力破壞和疲勞破壞，即在折斷區(qū)域會(huì)呈現(xiàn)光滑區(qū)和粗糙區(qū)兩種痕跡。

根據(jù)齒輪的失效形式可以確定齒輪的計(jì)算準(zhǔn)則，對變速器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)考慮失效形式為接觸疲勞磨損、彎曲疲勞折斷和膠合，因此，必須進(jìn)行接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

直齒圓柱齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度必須滿足：

設(shè)計(jì)計(jì)算式為

（3）

齒面接觸疲勞強(qiáng)度必須滿足：

設(shè)計(jì)計(jì)算式為

2.3.2軸、軸承失效

引起變速器異響除齒輪本身失效之外，還有軸及軸承，雙中間軸結(jié)構(gòu)中，軸主要作為傳動(dòng)軸使用，既傳遞扭矩又要承受來自齒輪的徑向力。因此，在低速重載時(shí)副軸產(chǎn)生的扭曲變形、彎曲變形過大都會(huì)影響雙副軸的齒輪嚙合，產(chǎn)生尖叫和轟鳴聲，副軸結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 副軸結(jié)構(gòu)

軸承主要作用為對齒輪軸的徑向或軸向定位，承受來自齒輪軸的徑向力和軸向力，如圖5中副軸依靠左右兩個(gè)滾子軸承進(jìn)行定位。正常情況下，軸承的主要失效形式為點(diǎn)蝕、滾子和滾道磨損、軸承的保持架散架、滾子破裂等。滾子所受力為法向力和摩擦力，法向力造成滾子和滾道的點(diǎn)蝕，所受的切向摩擦力造成滾子和滾道的磨損。

點(diǎn)蝕的產(chǎn)生會(huì)使變速器總成在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生尖叫聲。磨損的出現(xiàn)會(huì)造成相嚙合齒輪的中心距增大，使負(fù)荷作用在齒頂上，產(chǎn)生咔嚓聲，這種情況還可能引起輪齒的折斷。整個(gè)過程貫穿于變速器的使用壽命周期，持續(xù)時(shí)間長。較大的軸承點(diǎn)蝕在低速時(shí)可能表現(xiàn)為輕微的敲擊聲，在高速時(shí)產(chǎn)生尖叫。低速重載時(shí)也會(huì)引起滾子或滾道變形、保持架斷裂，造成軸承的早期損壞，產(chǎn)生轟鳴聲，軸與軸承的失效形式如圖6所示。

圖6 軸與軸承失效形式

2.4 故障判斷與研究

2.4.1噪音、振動(dòng)和聲振粗糙度分析

通過信號(hào)分析儀對變速箱建立機(jī)械振動(dòng)參考基準(zhǔn)，通過比較當(dāng)前的測試的產(chǎn)品與參考基準(zhǔn)將產(chǎn)生的偏差模式，判斷被試產(chǎn)品是否有缺陷。

針對齒輪異響分析主要使用階次分析（Order Analysis, OA）方法，齒輪副嚙合階次的振動(dòng)超過一定限值時(shí)，輻射出嘯叫聲。

齒輪嚙合的階次計(jì)算為

式中，為齒輪副嚙合階次；為主動(dòng)齒輪齒數(shù)；1為齒輪轉(zhuǎn)速；2為參考軸轉(zhuǎn)速。

首先采集變速箱運(yùn)行中的時(shí)域信號(hào)，根據(jù)時(shí)域信號(hào)可以觀察幅值、相位，但無法得到頻譜信號(hào)。因此，對該信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform, FFT）運(yùn)算，得到譜線信號(hào)，根據(jù)譜線信號(hào)在各階次的振幅，可以得出變速箱有無異響。如圖7所示，圖7(a)中虛線代表上偏差，圖7(b)實(shí)線為測試后得到的譜線，比較譜線信號(hào)在各階次的振幅是否超過上偏差，可以得出變速箱有無異響。

圖7 譜線

2.4.2故障判斷

各種失效形式的過程都會(huì)貫穿于變速器的使用壽命周期，持續(xù)時(shí)間很長，在這一過程中變速器會(huì)產(chǎn)生異響，本文經(jīng)過長時(shí)間實(shí)驗(yàn)分析，根據(jù)異響的聲級和頻率將其歸類為敲擊聲、尖叫聲、轟鳴聲、咔嚓聲，如表1所示。此外，將異響的頻率與變速器的輸入轉(zhuǎn)速作比較，頻率低于輸入轉(zhuǎn)速時(shí)有咔嚓聲，接近輸入軸轉(zhuǎn)速的有敲擊聲、轟鳴聲，大于輸入軸轉(zhuǎn)速時(shí)有尖叫聲。

根據(jù)2.3.1中齒輪的受力分析，可以對齒輪的失效過程進(jìn)行判斷，如圖8所示。

表1 故障判斷與研究

異響類型故障類型判斷 敲擊聲由齒面磕碰造成的，可由齒面強(qiáng)力壓研后出現(xiàn)的亮點(diǎn)來鑒別。當(dāng)齒輪承受載荷時(shí)，這種噪聲就更顯著，因此，當(dāng)掛上某一擋就產(chǎn)生噪聲時(shí)，說明這一擋的齒輪有問題，這種磕碰可用油石或手砂輪磨平 尖叫聲由齒輪的不正常嚙合造成的，主要原因?yàn)辇X面點(diǎn)蝕或輪齒變形、軸承點(diǎn)蝕等 轟鳴聲對齒不正確、副軸齒輪在副軸上轉(zhuǎn)動(dòng)、齒輪嚴(yán)重變形、輪齒折斷或其他零件嚴(yán)重?fù)p壞 咔嚓聲由軸承或齒輪間的嚙合間隙過大造成，當(dāng)扭矩變換方向時(shí)會(huì)產(chǎn)生咔嚓聲。副軸軸承的徑向間隙過大，會(huì)引起軸的中心距增大使負(fù)荷作用在齒頂上，這種情況會(huì)引起輪齒的折斷

根據(jù)2.3.2中軸承的受力分析，可以對軸承的失效過程進(jìn)行判斷，如圖9所示。

圖9 軸承正常失效過程

2.4.3設(shè)計(jì)改進(jìn)

為提高變速箱使用可靠性，防止異響發(fā)生，可以在變速箱設(shè)計(jì)之初就針對可能出現(xiàn)的失效形式進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。

重型變速箱的主箱雙中間軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)功率分流，主軸齒輪承受兩個(gè)中間軸齒輪徑向力大小相等，方向相反的力，使主軸只承受扭矩，不承受彎矩，消除了主軸變形引起的齒輪嚙合區(qū)的破壞，可以有效降低齒輪嚙合的噪音。主軸齒輪在設(shè)計(jì)中，可以使齒輪在主軸呈現(xiàn)徑向浮動(dòng)狀態(tài)，可以更好地滿足正確嚙合并使載荷盡可能地平均分配，主軸齒輪浮動(dòng)設(shè)計(jì)如圖10所示。

圖10 主軸齒輪浮動(dòng)

齒輪嚙合過程為線性接觸，承受力比較大，容易產(chǎn)生齒面變形和升溫、以及軸的扭曲或變歪現(xiàn)象。因此，在變速箱設(shè)計(jì)中必須選取合適的潤滑方式，如圖11所示，可以使用強(qiáng)制潤滑和齒輪飛濺潤滑相結(jié)合的潤滑方式，利用油泵將潤滑油強(qiáng)制輸送到各關(guān)鍵元件，使軸承及齒輪得到潤滑冷卻。

圖11 潤滑油路

2.4.4工藝改進(jìn)

異響故障的發(fā)生，除了設(shè)計(jì)原因以及使用過程導(dǎo)致的失效，其工藝、質(zhì)量方面也占有很大原因，如裝配偏心，裝調(diào)不到位，加工工藝精度不高等。

針對某變速箱公司近期試車過程的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，試車異響故障率百萬分之一（Parts Per Million, PPM）值為7 000，對異響變速箱進(jìn)行拆解確認(rèn)，故障類型如表2所示。

表2 故障拆解

故障類型數(shù)量/個(gè)占比/% 磕碰傷6258.49 尺寸超差1413.21 裝調(diào)不到位2220.75 其他87.55

因此，針對異響問題，質(zhì)量方面可以從產(chǎn)品供方到貨、物流、裝配等全過程進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查分析改進(jìn)，同時(shí)開展專項(xiàng)稽查和審核，優(yōu)化產(chǎn)品尺寸檢測方式；工藝方面可以通過程流程圖、過程失效模式及后果分析（Process Failure Mode and Effects Analysis, PFMEA）、控制計(jì)劃、作業(yè)指導(dǎo)書等文件，使現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)。

3 結(jié)束語

對于重型變速箱運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的異響，本文通過對汽車基本構(gòu)造和原理的分析，進(jìn)一步研究重型變速器齒輪傳動(dòng)及各構(gòu)件的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)，最后歸納了導(dǎo)致變速箱異響出現(xiàn)的原因，并對常見故障進(jìn)行判斷與研究，可以為變速箱異響故障診斷、變速箱設(shè)計(jì)提供依據(jù)和參考。

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Analysis and Research on Abnormal Noise Fault of a Heavy Duty Transmission

CHEN Junyan, HU Youbin, QIN Zhengjian, CAO Debin

( China National Heavy Duty Truck Group Company Limited, Jinan 255000, China )

Heavy duty transmissions play an important role in the transmission system of commercial vehicles, as their quality directly affected driving comfort and handling. In order to adapt to the development trend and matching needs of high-power engines in commercial vehicles, this article analyzes the structure and characteristics of a heavy-duty transmission gear transmission, and finally summarized the common faults and cause analysis of the gearbox, The spindle floating and lubrication measures in the transmission design are proposed. This can provide a basis and reference for the diagnosis of abnormal noise faults in the gearbox and the design of the gearbox.

Heavy duty transmission; Gear transmission; Fault diagnosis; Abnormal noise analysis

TH132

A

1671-7988(2023)18-62-05

陳俊巖（1984－），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)樽兯傧湓O(shè)計(jì)與開發(fā)，E-mail:1214690374@qq.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.018.013