基于田口方法的變速箱齒輪再制造穩健優化設計

馬峻

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基于田口方法的變速箱齒輪再制造穩健優化設計

馬峻

（北京電子科技職業學院，北京 100176）

齒輪是汽車、機床等設備變速箱中的重要設備中的關鍵零件。為了確保再制造齒輪的使用壽命，以報廢QR523變速箱3檔主動齒輪為例，討論了其再制造的生產工藝，并利用Minitab軟件進行了正交試驗設計，得到最佳工藝的參數。

齒輪再制造；工藝參數；田口方法

前言

齒輪是汽車、機床等設備變速箱中的重要設備中的關鍵零件，在齒輪設備運行中，特別是高溫、高速環境下，如變速箱等，齒輪經常會出現齒面點蝕[1]、齒根斷裂[2]等失效形式，導致整個傳動系統的運行平穩性和可靠性下降[3]，如不及時處理會造成生命和財產損失。隨著人民生活水平的提高，我國人民對汽車的依賴日漸增強，據統計，截止2018年8月，北京小客車搖號申請者已近3百萬人，新能源小客車配置指標申請者也已經超過35萬人，因此未來若干年內，小客車保有量會進一步提升。而對現有汽車而言更新換代頻率也將加快，汽車的報廢量逐年增加。報廢汽車若得不到及時的處置，不光造成資源的巨大浪費，還會對環境產生極大的污染和破壞；若處置得當，在變廢為寶的同時還能保護環境、節約資源，促進經濟的可持續發展。

再制造（Remanufacturing）是重用（Reuse）的一種形式，是以廢舊退役的零部件為“原料”，采用各種再制造成形技術，批量地恢復零部件尺寸、形位、表面質量和性能要求，經過裝配形成新產品再使用[4]。通過近些年的研究，齒輪的再制造被證明是可行的，但再制造的齒輪其參數需要進一步優化，以保證進一步提高其工作效能，滿足下一生命周期的工作需要。

1 變速箱齒輪再制造工藝

再制造的變速箱齒輪，不同于初次制造，原材料不是毛坯件，而是使用過的齒輪，因此，在進入再制造工序之前，需要完成齒輪的表面工程。表面工程技術是再制造技術的重要組成部分之一，是在表面預處理以后，綜合利用表面工程技術，例如表面涂覆技術、表面改性技術等，從而能夠較好地轉變固體金屬表面的形態、組織結構、化學成分以及應力狀態等，最終得到再生產所必須的表面性能。表面工程技術可以實現對失效機械零件的增材、裂紋修補等功能，夠使失效機械零件獲得再修復。表面工程技術已經被機械零件再制造技術不斷地應用[5]。齒輪的表面工程主要包括通過清洗、檢測、加工等步驟。首先通過清洗除去齒輪表面的污垢，并使齒輪表面達到一定清潔度；然后通過檢測評價清洗后齒輪的狀況，確定齒輪的再制造性，最后根據檢測情況對齒輪進行表面工程加工，確保其有足夠的性能進入再制造過程。

為保證變速箱的使用壽命，其齒輪的再制造工藝應在完成表面工程后，努力提高加工工藝水平和熱處理工藝水平。再制造的齒輪應采用新制造工藝，降低齒根的應力，可以使用大圓角凸頭滾刀加工，從而提高齒輪齒根的圓角半徑。再制造過程中的輪齒修磨可以采用高強度合金鋼硬齒面磨齒的再制造工藝，利用無支撐的太陽輪進行磨削，磨齒后可以極大地緩解齒根的應力集中。變速箱齒輪一般采用20CrMnTi制造，此種鋼材具有非常好的強度和韌性，同時具有良好的淬透性。為了能夠使再制造的齒輪強度得到提高，應增加滲碳層的深度，淬火后齒輪的硬度可以達到HRC60左右，心部的硬度也可以控制在HRC35左右。在滲碳淬火工藝過程中，利用分段滲碳和分級淬火法。滲碳時在不同階段選擇不同的溫度，淬火時分別在200 ℃、400 ℃和550 ℃的條件下進行分級淬火從而使齒輪的心部獲得貝氏體、馬氏體和殘余奧氏體組織。

2 基于田口方法的再制造齒輪參數優化

田口方法是一種低成本、高效益的質量工程方法，它強調產品質量的提高不是通過檢驗，而是通過設計來實現，其基本思想是把產品的穩健性設計到產品和制造過程中，通過控制源頭質量來抵御大量的下游生產中不可控因素的干擾，是一種聚焦于最小化過程變異或使產品、過程對環境變異最不敏感的實驗設計方法，是一種能設計出環境多變條件下能夠穩健和優化操作的高效方法[6]。

2.1 確定信噪比特性

圖1 變速箱外形

圖2 齒輪總成

本文以奇瑞汽車公司某款汽車變速箱（如圖1所示）三擋主動齒輪為例（如圖2所示），對其再制造參數進行優化。變速箱和齒輪基本參數如表1所示。

表1 基本參數

在田口方法中，信噪比η是產品性能的穩健性指標[7]，本文將齒輪的疲勞壽命與疲勞極限定為齒輪的兩個品質特性，確定其信噪比為望大特性，即齒輪壽命和疲勞極限越大越好，其值可表達為：

2.2 確定影響因子

田口方法中的影響因子分為控制因子和干擾因子兩類，在齒輪疲勞試驗中，可以人為確定其值的稱為控制因子，不能人為控制其值的稱為干擾因子。齒輪再制造過程中影響齒輪疲勞性能的控制因子主要包含表面粗糙度、滲碳層硬度、心部硬度、齒輪箱溫度、花鍵軸向寬度；干擾因子主要包括試驗機精度、潤滑情況、測量精度、操作人員水平等。田口設計方法的目標是決定控制因子的設定水平，使得品質特性達到理想的機能，同時盡量降低干擾因子的變動與影響。

本文將控制因子選為表面粗糙度、滲碳層硬度、心部硬度三項，其水平如表2所示。

表2 控制因子及其水平

2.3 正交試驗設計

正交表中包含一個四水平因子，兩個兩水平因子，利用Minitab軟件設計正交試驗，如圖3所示。考慮到齒輪疲勞試驗的工作量較大，且為了能反映出各個因子之間的交互關系，選擇L16試驗的設計方案，每組試驗具體參數如圖4所示。

圖3 正交試驗設計

圖4 正交試驗參數

2.4 實驗結果

通過實驗可知影響因素排序均為滲碳層深度、心部硬度和表面粗糙度，且滲碳層深度對響應結果的重要度比后兩者要大10倍以上。結合試驗數據可以得到最佳工藝組合為：滲碳層深度 1.2mm，心部硬度HRC35～42，粗糙度0.8μm。

3 結論

本文報廢的QR523變速箱3檔主動齒輪為例，討論了齒輪再制造的生產工藝，并在此基礎上利用Minitab軟件設計了正交試驗，找到了再制造齒輪最佳的工藝參數為滲碳層深度 1.2mm，心部硬度HRC35～42，粗糙度0.8μm。

[1] Fernandes P J L,Mc Duling C. Surface contact fatigue failures in gears[J]. Engineering Failure Analysis,1997,4(2) : 99-107.

[2] Fernandes P J L.Tooth bending fatigue failures in gears[J]. Engine -ering Failure Analysis,1996,3( 3) : 219-225.

[3] 陶春虎,鐘培道,王仁智,等.航空發動機轉動部件的失效與預防[M].北京:國防工業出版社,2000: 264-265.

[4] 徐濱士,馬世寧.21 世紀的再制造工程[J].中國機械工程,2000（11）:36-38.

[5] 謝蕾.基于再制造技術的采煤機齒輪的制造研究[J].煤礦機械. 2013（08）:157-159.

[6] 曾鳳章,趙霞.田口方法及其標準化設計[J].機械工業標準化與質量,2003,(11):7-9

[7] 李曉豁,王巖,張永勝.礦用自卸車輪邊減速器模糊可靠性的優化設計[J].礦山機械,2009,37（23）:37-40.

Robust optimization design of gearbox gear remanufacturing based on Taguchi method

Ma Jun

（Beijing Polytechnic, Beijing 100176）

The gear is the key part of the important equipment in the gearbox of automobile, machine tool and so on. In order to ensure the service life of remanufactured gears, this paper discusses the remanufacturing process of the abandoned QR523 gearbox with three gears as an example. Orthogonal experiment design is carried out by using Minitab software, and the optimum process parameters are obtained.

Gear Remanufacturing; Process Parameters; Taguchi Method

A

1671-7988(2018)18-223-03

TG111.91

A

1671-7988(2018)18-223-03

CLC NO.: TG111.91

馬峻，就職于北京電子科技職業學院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.076