寇仁杰， 陳偉， 李丹

（安徽江淮汽車股份有限公司，合肥 230601）

0 引言

微點(diǎn)蝕是指齒輪工作過程中齒面出現(xiàn)的肉眼可見的灰斑現(xiàn)象，微觀上表現(xiàn)為微小疲勞裂紋并伴隨材料的移失。國內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為微點(diǎn)蝕是一種發(fā)生在微接觸區(qū)的接觸疲勞損傷，但其具體產(chǎn)生機(jī)理尚不完全明確［1］。國外對(duì)微點(diǎn)蝕的研究已取得一些成果，比較傾向性的意見是通過齒面間油膜厚度比來計(jì)算和評(píng)價(jià)齒輪抗微點(diǎn)蝕能力。

齒輪微點(diǎn)蝕常見于滲碳淬火的硬齒面齒輪，近幾年隨著國內(nèi)自動(dòng)變速器技術(shù)的發(fā)展，對(duì)齒輪精度提出更高的要求，越來越多的齒輪采用滲碳淬火后磨齒加工工藝，加上自動(dòng)變速器潤滑油黏度比手動(dòng)變速器低，不易形成油膜，使得微點(diǎn)蝕現(xiàn)象越來越突出。微點(diǎn)蝕在齒面上產(chǎn)生的磨損會(huì)改變齒輪的形狀，齒輪形狀的變化會(huì)導(dǎo)致載荷集中在較小的區(qū)域，從而影響齒輪傳動(dòng)精度，導(dǎo)致振動(dòng)、噪聲問題，嚴(yán)重時(shí)增加疲勞失效的機(jī)會(huì)，引發(fā)點(diǎn)蝕。

1 齒輪微點(diǎn)蝕的計(jì)算方法

ISO/TR 15144-1：2010《直齒和斜齒圓柱齒輪的微點(diǎn)蝕承載能力計(jì)算-第1部分：概述和基本原則》是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織專門針對(duì)齒輪“微點(diǎn)蝕”的計(jì)算和評(píng)價(jià)方法發(fā)布的技術(shù)報(bào)告，報(bào)告中列舉了方法A和方法B兩種計(jì)算準(zhǔn)則。方法A對(duì)齒輪嚙合過程中齒面上每一個(gè)接觸位置的應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)考慮了軸的變形以及軸承自身剛度及游隙等影響因素，最終準(zhǔn)確得出每個(gè)嚙合位置上齒面的載荷分布情況［2］。使用這種方法雖然計(jì)算結(jié)果精確，但工作量非常大，需要借助專業(yè)齒輪計(jì)算軟件來完成。方法B則比較簡單，只對(duì)嚙合過程中幾個(gè)關(guān)鍵的位置進(jìn)行計(jì)算，得到各點(diǎn)的油膜厚度比，篩選出最小值即可。此外，方法B主要針對(duì)未修形的漸開線齒輪，實(shí)際工程中，大部分齒輪都經(jīng)過齒廓修形，所以方法B存在一定局限性，很難得到實(shí)際應(yīng)用。

齒輪微點(diǎn)蝕承載能力計(jì)算基本公式：

式中：Sλ為抗微點(diǎn)蝕安全系數(shù)；Sλ，min為許用最小抗微點(diǎn)蝕安全系數(shù)；λGF，min為接觸區(qū)最小膜厚比；λGF，Y為接觸區(qū)膜厚比；λGFP為許用膜厚比；Ra為接觸區(qū)有效平均粗糙度；Ra1為齒輪1齒面平均粗糙度；Ra2為齒輪2齒面平均粗糙度；hY為齒面間油膜厚度；ρn，Y為接觸區(qū)某點(diǎn)法向曲率半徑；GM為與材料相關(guān)的參數(shù)；UY為與速度相關(guān)的參數(shù)；WY為與載荷相關(guān)的參數(shù)；SGF，Y為與滑動(dòng)系數(shù)相關(guān)的參數(shù)。

上述計(jì)算過程涉及大量參數(shù)的確定，特別是許用膜厚比λGFP需要通過試驗(yàn)確定，計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度取決于參數(shù)的可靠性，因此報(bào)告中并沒有推薦許用最小安全系數(shù)范圍。應(yīng)用時(shí)需要根據(jù)公式中參數(shù)來源的準(zhǔn)確性、齒輪使用環(huán)境、微點(diǎn)蝕對(duì)使用壽命、性能的敏感程度來選擇合適、經(jīng)濟(jì)的安全系數(shù)。針對(duì)定型產(chǎn)品的優(yōu)化，可以調(diào)整的參數(shù)有限，保證其他條件不變，只研究齒輪微觀修形單一參數(shù)對(duì)微點(diǎn)蝕的影響，可以直接通過對(duì)比最小膜厚比λFG，min來評(píng)價(jià)。

2 修形方案優(yōu)化

齒輪受載發(fā)生變形，導(dǎo)致齒面接觸應(yīng)力分布不均勻，造成載荷局部集中，加劇齒輪的磨損。齒輪微觀修形通過對(duì)理論齒廓的修正，使齒輪受載變形后齒面應(yīng)力分布盡可能均勻，減少偏載，改善微點(diǎn)蝕現(xiàn)象。工程師以往只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)修形，再結(jié)合多輪的試驗(yàn)進(jìn)行修正。隨著對(duì)修形理論的不斷研究和發(fā)展，一些專業(yè)的齒輪計(jì)算軟件（如KISSsoft）能綜合考慮系統(tǒng)的變形，為用戶提供更準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。根據(jù)初始修形方案的試驗(yàn)結(jié)果結(jié)合軟件計(jì)算可以快速地完成齒輪修形的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

某雙離合自動(dòng)變速器齒輪經(jīng)過耐久試驗(yàn)后，齒面發(fā)現(xiàn)大面積微點(diǎn)蝕現(xiàn)象，如圖3，全齒面分布肉眼可見的灰色斑點(diǎn)，尤以右端節(jié)圓以下區(qū)域最為嚴(yán)重。以該齒輪為研究對(duì)象，通過優(yōu)化微觀修形來改善其齒面微點(diǎn)蝕現(xiàn)象。該齒輪材料為20MnCr5，采用滲碳淬火后磨齒加工工藝，齒面粗糙度 Ra0.8，模數(shù) 1.9 mm，壓力角 16°，螺旋角 30°。

表1 驅(qū)動(dòng)面微觀修形優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)圖3中齒面微點(diǎn)蝕區(qū)域的分布情況，修形優(yōu)化的方向應(yīng)該是適當(dāng)增大齒頂修緣來減輕節(jié)圓以下區(qū)域的應(yīng)力集中，同時(shí)適當(dāng)增加螺旋角修形來改善齒寬方向的偏載現(xiàn)象。結(jié)合KISSsoft軟件用ISO/TR 15144-1：2010中方法A計(jì)算不同修形優(yōu)化方案對(duì)應(yīng)的最小膜厚比，綜合考慮從中選擇最優(yōu)結(jié)果見表1，表1中不同修形方案對(duì)應(yīng)的膜厚比計(jì)算結(jié)果見圖1和圖2。

圖1 初始修形計(jì)算最小膜厚比

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證優(yōu)化方案是否能有效改善微點(diǎn)蝕現(xiàn)象，對(duì)表1中兩種修形參數(shù)的齒輪在變速器整機(jī)中進(jìn)行快速加載試驗(yàn)。選擇檢測(cè)合格的樣件，采用同樣的試驗(yàn)方法和試驗(yàn)條件，試驗(yàn)工況為輸入轉(zhuǎn)速3 000 r/min，輸入扭矩270 N·m。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在該試驗(yàn)工況下，20 h后齒面微點(diǎn)蝕狀態(tài)趨于穩(wěn)定，不再擴(kuò)散，拆機(jī)觀察。

圖2 優(yōu)化修形計(jì)算最小膜厚比

3.1 宏觀形貌

觀察試驗(yàn)后2個(gè)齒輪齒面的宏觀形貌，見圖3和圖4，對(duì)比圖3和圖4可明顯看出，圖3中齒面節(jié)圓以下微點(diǎn)蝕較嚴(yán)重的區(qū)域在圖4中對(duì)應(yīng)區(qū)域有明顯改善且面積變小，圖4整個(gè)齒面微點(diǎn)蝕現(xiàn)象較圖3有明顯改善。說明從宏觀形貌上，該修形優(yōu)化方案對(duì)微點(diǎn)蝕現(xiàn)象有明顯的改善效果。

圖3 初始修形試驗(yàn)后齒面

圖4 優(yōu)化修形試驗(yàn)后齒面

3.2 磨損量

齒面磨損伴隨材料的移失，導(dǎo)致齒廓發(fā)生變形，所以可以通過檢測(cè)齒廓曲線對(duì)比磨損量進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化修形對(duì)齒面微點(diǎn)蝕的改善情況。試驗(yàn)后檢測(cè)2個(gè)齒輪齒寬方向距左端面70%附近微點(diǎn)蝕最嚴(yán)重區(qū)域的齒廓曲線，結(jié)果見圖5和圖6。對(duì)比圖5和圖6可以看出，同等試驗(yàn)條件下，優(yōu)化修形的齒輪相同位置磨損量有一定減小。進(jìn)一步說明該修形優(yōu)化方案對(duì)微點(diǎn)蝕現(xiàn)象起到了改善效果。

圖5 初始修形試驗(yàn)后齒面磨損量

圖6 優(yōu)化修形試驗(yàn)后齒面磨損量

4 結(jié)論

油膜厚度是評(píng)價(jià)齒輪抗微點(diǎn)蝕能力的參數(shù)，試驗(yàn)證明，適當(dāng)?shù)貎?yōu)化齒輪修形參數(shù)增加油膜厚度，能有效改善齒輪微點(diǎn)蝕現(xiàn)象。

對(duì)于微點(diǎn)蝕問題，國內(nèi)外研究焦點(diǎn)主要集中于提高潤滑油的黏度，在潤滑油中加入某些化學(xué)添加劑等方式去改善。針對(duì)雙離合自動(dòng)變速器，其潤滑油兼做液壓油，黏度較手動(dòng)變速器要低，不易形成油膜，更容易發(fā)生微點(diǎn)蝕，而發(fā)現(xiàn)微點(diǎn)蝕問題的時(shí)候，樣機(jī)已經(jīng)設(shè)計(jì)完成，可優(yōu)化調(diào)整的參數(shù)有限，這種情況下通過優(yōu)化齒輪微觀修形來改善微點(diǎn)蝕現(xiàn)象不失為一個(gè)經(jīng)濟(jì)、有效的選擇。

［1］ 王鵬，張寬德，丁芳玲，等.潤滑油抗微點(diǎn)蝕性能試驗(yàn)研究［J］.潤滑油，2013，28（4）：42-47.

［2］ 徐宏，葉茂，Kissling U.基于ISO/TR 15144-1的“微點(diǎn)蝕”計(jì)算在 KISSsoft軟件的應(yīng)用［J］.機(jī)械傳動(dòng)，2013，37（2）：103-108.

［3］ 顏力，劉忠偉.兆瓦級(jí)風(fēng)電齒輪微點(diǎn)蝕的研究［J］.機(jī)車車輛工藝，2012（6）：10-14.

［4］ ISO/TR 15144-1 Calculation of micropitting load capacity of cylindrical spur and helical gears-part 1：introduction and basic principles［S］.

［5］ GB/T 3481-1997 齒輪輪齒磨損和損傷術(shù)語［S］.

［6］ 李潤方.齒輪傳動(dòng)的剛度分析和修形方法［M］.重慶：重慶大學(xué)出版社，1998.