齒面微觀修形對齒輪微點蝕的影響

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

微點蝕是指齒輪工作過程中齒面出現的肉眼可見的灰斑現象，微觀上表現為微小疲勞裂紋并伴隨材料的移失。國內外學者普遍認為微點蝕是一種發生在微接觸區的接觸疲勞損傷，但其具體產生機理尚不完全明確［1］。國外對微點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算和評價齒輪抗微點蝕能力。

齒輪微點蝕常見于滲碳淬火的硬齒面齒輪，近幾年隨著國內自動變速器技術的發展，對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，加上自動變速器潤滑油黏度比手動變速器低，不易形成油膜，使得微點蝕現象越來越突出。微點蝕在齒面上產生的磨損會改變齒輪的形狀，齒輪形狀的變化會導致載荷集中在較小的區域，從而影響齒輪傳動精度，導致振動、噪聲問題，嚴重時增加疲勞失效的機會，引發點蝕。

1 齒輪微點蝕的計算方法

ISO/TR 15144-1：2010《直齒和斜齒圓柱齒輪的微點蝕承載能力計算-第1部分：概述和基本原則》是國際標準化組織專門針對齒輪“微點蝕”的計算和評價方法發布的技術報告，報告中列舉了方法A和方法B兩種計算準則。方法A對齒輪嚙合過程中齒面上每一個接觸位置的應力進行計算，同時考慮了軸的變形以及軸承自身剛度及游隙等影響因素，最終準確得出每個嚙合位置上齒面的載荷分布情況［2］。使用這種方法雖然計算結果精確，但工作量非常大，需要借助專業齒輪計算軟件來完成。方法B則比較簡單，只對嚙合過程中幾個關鍵的位置進行計算，得到各點的油膜厚度比，篩選出最小值即可。此外，方法B主要針對未修形的漸開線齒輪，實際工程中，大部分齒輪都經過齒廓修形，所以方法B存在一定局限性，很難得到實際應用。

齒輪微點蝕承載能力計算基本公式：

式中：Sλ為抗微點蝕安全系數；Sλ，min為許用最小抗微點蝕安全系數；λGF，min為接觸區最小膜厚比；λGF，Y為接觸區膜厚比；λGFP為許用膜厚比；Ra為接觸區有效平均粗糙度；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為接觸區某點法向曲率半徑；GM為與材料相關的參數；UY為與速度相關的參數；WY為與載荷相關的參數；SGF，Y為與滑動系數相關的參數。

上述計算過程涉及大量參數的確定，特別是許用膜厚比λGFP需要通過試驗確定，計算結果的準確度取決于參數的可靠性，因此報告中并沒有推薦許用最小安全系數范圍。應用時需要根據公式中參數來源的準確性、齒輪使用環境、微點蝕對使用壽命、性能的敏感程度來選擇合適、經濟的安全系數。針對定型產品的優化，可以調整的參數有限，保證其他條件不變，只研究齒輪微觀修形單一參數對微點蝕的影響，可以直接通過對比最小膜厚比λFG，min來評價。

2 修形方案優化

齒輪受載發生變形，導致齒面接觸應力分布不均勻，造成載荷局部集中，加劇齒輪的磨損。齒輪微觀修形通過對理論齒廓的修正，使齒輪受載變形后齒面應力分布盡可能均勻，減少偏載，改善微點蝕現象。工程師以往只能根據經驗設計修形，再結合多輪的試驗進行修正。隨著對修形理論的不斷研究和發展，一些專業的齒輪計算軟件（如KISSsoft）能綜合考慮系統的變形，為用戶提供更準確的計算結果。根據初始修形方案的試驗結果結合軟件計算可以快速地完成齒輪修形的優化設計。

某雙離合自動變速器齒輪經過耐久試驗后，齒面發現大面積微點蝕現象，如圖3，全齒面分布肉眼可見的灰色斑點，尤以右端節圓以下區域最為嚴重。以該齒輪為研究對象，通過優化微觀修形來改善其齒面微點蝕現象。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 1.9 mm，壓力角 16°，螺旋角 30°。

表1 驅動面微觀修形優化結果

根據圖3中齒面微點蝕區域的分布情況，修形優化的方向應該是適當增大齒頂修緣來減輕節圓以下區域的應力集中，同時適當增加螺旋角修形來改善齒寬方向的偏載現象。結合KISSsoft軟件用ISO/TR 15144-1：2010中方法A計算不同修形優化方案對應的最小膜厚比，綜合考慮從中選擇最優結果見表1，表1中不同修形方案對應的膜厚比計算結果見圖1和圖2。

圖1 初始修形計算最小膜厚比

3 試驗驗證

為了驗證優化方案是否能有效改善微點蝕現象，對表1中兩種修形參數的齒輪在變速器整機中進行快速加載試驗。選擇檢測合格的樣件，采用同樣的試驗方法和試驗條件，試驗工況為輸入轉速3 000 r/min，輸入扭矩270 N·m。根據經驗，在該試驗工況下，20 h后齒面微點蝕狀態趨于穩定，不再擴散，拆機觀察。

圖2 優化修形計算最小膜厚比

3.1 宏觀形貌

觀察試驗后2個齒輪齒面的宏觀形貌，見圖3和圖4，對比圖3和圖4可明顯看出，圖3中齒面節圓以下微點蝕較嚴重的區域在圖4中對應區域有明顯改善且面積變小，圖4整個齒面微點蝕現象較圖3有明顯改善。說明從宏觀形貌上，該修形優化方案對微點蝕現象有明顯的改善效果。

圖3 初始修形試驗后齒面

圖4 優化修形試驗后齒面

3.2 磨損量

齒面磨損伴隨材料的移失，導致齒廓發生變形，所以可以通過檢測齒廓曲線對比磨損量進一步驗證優化修形對齒面微點蝕的改善情況。試驗后檢測2個齒輪齒寬方向距左端面70%附近微點蝕最嚴重區域的齒廓曲線，結果見圖5和圖6。對比圖5和圖6可以看出，同等試驗條件下，優化修形的齒輪相同位置磨損量有一定減小。進一步說明該修形優化方案對微點蝕現象起到了改善效果。

圖5 初始修形試驗后齒面磨損量

圖6 優化修形試驗后齒面磨損量

4 結論

油膜厚度是評價齒輪抗微點蝕能力的參數，試驗證明，適當地優化齒輪修形參數增加油膜厚度，能有效改善齒輪微點蝕現象。

對于微點蝕問題，國內外研究焦點主要集中于提高潤滑油的黏度，在潤滑油中加入某些化學添加劑等方式去改善。針對雙離合自動變速器，其潤滑油兼做液壓油，黏度較手動變速器要低，不易形成油膜，更容易發生微點蝕，而發現微點蝕問題的時候，樣機已經設計完成，可優化調整的參數有限，這種情況下通過優化齒輪微觀修形來改善微點蝕現象不失為一個經濟、有效的選擇。

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

［2］ 徐宏，葉茂，Kissling U.基于ISO/TR 15144-1的“微點蝕”計算在 KISSsoft軟件的應用［J］.機械傳動，2013，37（2）：103-108.

［3］ 顏力，劉忠偉.兆瓦級風電齒輪微點蝕的研究［J］.機車車輛工藝，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語［S］.

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