汽车后桥齿轮断齿缺陷分析

汽车后桥齿轮断齿缺陷分析

谭智艺

柳州曙光车桥有限责任公司 广西柳州545000

摘要：汽车后桥的主从动齿轮具有传动功能。作为支撑主动齿轮的重要组成部分，轴承的工作寿命和状况会对动力传动产生影响。齿轮是汽车变速器的主要零件，在制造过程中主要使用锻造方法来获取毛坯。在锻造后经过压力加工，齿轮零件会获得更好的内部组织和力学性能。目前变速器齿轮类零件主要通过开、闭式模锻和辗环等方式进行锻造加工。本文主要对汽车后桥齿轮断齿缺陷进行分析，详情如下。

关键词：汽车；后桥齿轮；断齿；缺陷

引言

齿轮箱是旋转机械中应用最关键的部件之一，对调节输入与输出的转速和扭矩有着重要作用。它的性能好坏直接关系到整套设备的制造和生产质量。因此，将数字孪生技术应用于齿轮箱故障诊断，获得最能识别设备状态的特征参数，掌握机器在运行过程的状态，确定其整体或局部异常，早期发现故障及其原因，并预报故障，对于设备运行状态的检测及维护具有重要意义。

1断齿缺陷及宏观特征

经对主动、从动锥齿轮观察发现，主动锥齿轮偏大端有挤压、掰齿的现象，掰齿的部位主要集中在主动锥齿轮的大端偏齿顶，并且靠近大端齿面的齿轮接触摩擦的痕迹较深。从动齿轮的损坏形式主要是断齿失效，并且齿轮工作面齿槽部位有挤压金属留下的痕迹。

2汽车后桥齿轮断齿有效预防措施

2.1精密锻造

同步器钢齿环是变速器同步器中一种重要的薄壁环形零件，外缘齿形在齿宽一侧有100°左右的锁止角，机加工难度高、效率低、成本高。结合齿圈也是同步器中重要零件，其结合齿齿宽一侧也有类似同步器钢齿环的锁止角。同时为了防止变速器自动脱挡，齿部很多设计成倒锥结合齿，基圆、分度圆和齿顶圆不变，沿轴线方向产生连续变化的变位系数得到变截面的特殊锥齿，齿面与分度圆交线和齿形中心形成夹角，齿部的机加工从粗车、精车、插齿、去毛刺到结合齿、锁止角，同样面临工序长，效率低，成本高的问题。同步器钢齿环和倒锥结合齿的齿宽都很小，反而适合热锻或温锻成形的加工方式，不但能保留完整的锻造流线，同时减少后续机械加工工序，降低生产成本。同步器钢齿环精锻一般工艺过程为：下料→坯料加热→镦粗→制坯成形→冲孔→辗环→预备热处理→表面清理→少无氧化加热→热精锻→表面清理→表面润滑→冷整形。倒锥结合齿工艺类似，冷整形后增加倒锥工序，一般工艺过程为：精密下料→坯料加热→镦粗→热锻预成形→热锻成形→冲孔→表面清理→表面软化→表面润滑→冷整形→倒锥。

2.2建立齿轮箱三维孪生体模型

为了保证孪生体模型的高保真度，同时也使得仿真结果的精确性，准确绘制齿轮齿廓形状，在传动过程中传动比恒定，采用绘制渐开线齿廓线建模的方式构建齿轮模型。在对齿轮箱数字孪生体模型进行分析时，需进行运动学、动力学分析以验证模型对实体结构运行的还原程度。为了获得仿真模型各构件的绝对旋转速度，以下对齿与齿接触仿真时均使用接触力Impact函数，获得了较好的仿真结果。总之，根据齿轮箱振动特点和其主要失效形式，建立数字孪生体模型，经仿真分析数据与实验数据对比，验证了数字孪生体模型的准确性，可以实现多因素耦合条件下的齿轮箱系统状态的监测与故障预测，对于数字孪生技术应用研究具有一定的指导意义。

2.3齿轮材料选择及热处理

一般情况下，齿轮根据工作性能要求决定选用何种材料，采用何种工艺。汽车齿轮经过毛坯锻坯、预先热处理、切削加工、渗碳淬火、精加工五个加工工序制造而成。通过上述制造流程可以使汽车变速箱齿轮材料获得较高的强度、良好的韧性及耐磨性，除此之外还能使齿轮变形小、加工精度高、在截面上获得必要的淬透性。汽车齿轮一般采取20CrMnTi、20CrMo、20MnCr5、25CrMnS4等低碳合金渗碳钢制坯。汽车齿轮材料的具体选择要综合考虑成本、质量、寿命等。预先热处理是齿轮生产中较为重要的生产步骤，预先热处理的传统方法是采用正火处理，以消除齿轮锻造应力，使齿轮具有良好的表面硬度作为第二次热处理的前提。齿轮的许多关键特性是通过热处理实现的，热处理的质量直接影响齿轮的啮合性能和使用寿命。汽车弧齿锥齿轮一般采用渗碳淬火＋回火的热处理方法，可以使齿轮具有良好的综合力学性能。世界主流汽车制造商在生产汽车齿轮时都采用气体渗碳，使低碳钢的生产性能达到较好的水平。有效硬化层根据轮齿的模数来确定，大齿轮有效硬化层深度比小齿轮有效硬化层深度小0.1mm左右，小齿轮表面硬度比大齿轮表面硬度高1～2HRC。渗碳层一般是模数的0.15～0.20倍，渗碳层表面硬度为58～62HRC。为了使汽车齿轮重载时不易变形，要求齿轮齿根心部硬度不能过低，一般为33～42HRC。目前，渗碳齿轮普遍存在的问题是热处理变形与断裂，根据我国汽车齿轮渗碳热处理工艺的现状，汽车齿轮渗碳热处理工艺发展趋势为：（1）进行科学合理的齿轮设计、选择合适的齿轮材质和热处理工艺使经过热处理后的齿轮具有稳定的小变形量。（2）研究齿轮热处理新工艺，如直生式气氛渗碳工艺等，通过采用新工艺来弥补齿轮的热处理工艺缺陷，提高齿轮经热处理后的工艺效果。（3）采用先进的热处理技术和先进的齿轮热处理设备。

2.4关注直齿轮齿面非均匀磨损对模态特性的影响

齿面磨损是最常见的齿轮箱失效形式。过量的齿面磨损，会逐步改变齿面形貌和载荷分布状况，不仅会降低传动系统的精度和效率，而且还会使齿轮模态发生变化。当齿轮箱固有频率或负载频率与齿轮固有频率相同或接近时，容易产生共振，使得齿轮传动系统振动加剧。因此，有必要对齿面磨损和磨损前后模态的变化进行分析，明晰其作用机理，揭示齿面磨损的规律。这对减缓齿轮磨损、研究齿轮箱振动与噪声、开展故障诊断及预防性维修均有积极的意义。磨损系数和滑动距离数值先减小后增大，在齿根和齿顶区域数值较大。主、从动轮齿根和齿顶位置磨损严重，主动轮循环次数大于从动轮，使得主动轮齿根磨损最严重，最先达到磨损许用值；节点位置滑动距离为0，不发生磨损。在单、双啮合区位置，齿面载荷的变化导致磨损系数、滑动距离突变，引起磨损不连续。通过有限元仿真得到齿轮的固有频率和前10阶振型。从中可以看出，齿轮表现出极为丰富的振动形态，磨损前后振型变化不明显；径向振、对折振的齿轮变形位移较大，且齿顶部分变形量比齿轮其他部位大。磨损后各阶固有频率明显升高，7~10阶的高阶固有频率增加的幅度要大于低阶固有频率增加的幅度。

结语

尽管我国的汽车制造业已达到世界先进水平，齿轮加工技术也在迅速发展，但高端制造技术领域仍然与欧美国家存在一定的差距。目前引领齿轮行业技术水平尖端的仍为美国的格里森公司等，我国的材料及热处理技术仍然落后于欧美国家，齿轮制造技术水平也存在一定差距。现今，我国的汽车行业向着新能源汽车和智能汽车方向发展，因此提高汽车齿轮品质、降低单位能耗的同时尽可能做到环保与智能化，有利于我国汽车制造业水平的提升。

参考文献

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