某變速器輸出軸燒蝕問題分析及改進

劉曉雷

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某變速器輸出軸燒蝕問題分析及改進

劉曉雷

（陜西法士特汽車傳動工程研究院，陜西 西安 710119）

文章針對某款變速器輸出軸燒蝕問題，進行了失效機理和相關影響因素分析，并提出了改進措施和結(jié)構(gòu)方案，通過試驗驗證了方案的有效性，解決了輸出軸的燒蝕問題，對于變速器的設計有著重要的參考價值。

變速器；軸承潤滑；改進

前言

輸出軸是汽車變速器傳遞扭矩的重要零件之一，一般其后端與汽車傳動軸聯(lián)結(jié)，對于單中間軸變速器來說，除了承受扭矩外，還有徑向載荷帶來的彎矩，工況比較惡劣，其安全系數(shù)設計要求屬于最高級，因為如果變速器輸出軸出現(xiàn)諸如：燒蝕、斷裂等問題，都會導致車輛不能正常行駛或者行駛存在很大的安全隱患。

1 問題描述

本文基于某款單中間軸變速器用戶反饋的問題：在高速行駛行駛幾千公里后，變速器掛倒、一擋困難或者掛上后出現(xiàn)掉擋現(xiàn)象，經(jīng)過技術人員初步現(xiàn)場檢查，發(fā)現(xiàn)輸出軸靠近輸出軸承處出現(xiàn)燒蝕，拆檢照片見圖1。

圖1 拆檢照片

2 問題分析

2.1 燒蝕熱源分析

對返廠故障箱進行拆檢發(fā)現(xiàn)：滾子軸承燒蝕，滾動體嚴重變形磨損，保持架變形，輸出軸承前端的平擋圈、倒檔齒輪隔墊、倒檔齒輪接觸端面都有不同程度的燒蝕，倒檔齒輪內(nèi)孔下的滾針軸承嚴重燒蝕，滾針扭曲，保持架燒結(jié)。

從現(xiàn)象判斷是由于局部高溫使得金屬發(fā)生退火，從而引發(fā)后續(xù)一系列連鎖失效，因此我們可以通過分析輸出軸不同區(qū)域的表面硬度判斷熱源產(chǎn)生的位置，通過理化分析如圖2所示的輸出軸各個區(qū)域以及相關零件的表面硬度見表1所示：

表1 輸出軸各區(qū)域及臨近零件表面硬度

通過表1可以看出，輸出軸C區(qū)域表面硬度最低，說明發(fā)生不止一次退火，輸出軸內(nèi)孔的表面硬度從右端至左端遞增， B、D、E區(qū)域表面硬度也是從左向右遞增，可以看出，以A區(qū)域為中心兩側(cè)的表面硬度出現(xiàn)遞增，所以A區(qū)域應該是最初的熱源產(chǎn)生區(qū)域。而C區(qū)域出現(xiàn)的最低表面硬度是由于A區(qū)域局部高溫產(chǎn)生的附帶結(jié)果，是由于滾針軸承嚴重燒蝕，滾針不能滾動而與齒輪內(nèi)孔劇烈摩擦，再加上此處潤滑很差，從而產(chǎn)生了大量的熱，致使C區(qū)域發(fā)生了二次退火。

2.2 熱量影響因素分析

通過對該箱的斜齒輪受力進行分析，可以得出前進檔時輸出軸上齒輪產(chǎn)生的軸向力朝向輸出軸承，最終作用在輸出軸承的平擋圈和滾子端面上，根據(jù)摩擦熱力學［1］相關理論，假設摩擦功全部轉(zhuǎn)換成熱量，則有：

Q=F*s （1）

F=N*μ （2）

式中：Q-熱量；F-摩擦力；s-相對位移；N是正壓力；μ為摩擦系數(shù)

結(jié)合式（1）和（2）可以得出，摩擦產(chǎn)生熱量跟軸向力大小、滾子與端面接觸的摩擦系數(shù)、軸承的轉(zhuǎn)速有關，通過受力分析可知，該變速器中間軸上的軸向力抵消，輸出軸上前進檔產(chǎn)生的軸向力是一樣的，假定摩擦系數(shù)變化很小，我們可以得出在正壓力一定（即軸向力）的情況下，式（1）和（2）中熱量大小只跟軸承的轉(zhuǎn)速有關，這就解釋了高速時容易產(chǎn)生局部高溫引起的后續(xù)燒蝕問題。

2.3 故障原因分析

綜合上面的分析，我們可以得出輸出軸及鄰近零件產(chǎn)生燒蝕的原因如下：

（1）在高轉(zhuǎn)速工況下，軸承的軸向承載能力不夠。軸承滾子端面和平擋圈之間的滑動摩擦熱量累積，導致軸承滾道和滾子首先發(fā)生高溫退火，耐磨性能急劇下降，滾子出現(xiàn)嚴重磨損，進而產(chǎn)生更多的熱量，當這些熱量無法通過潤滑油帶走，就會致使鄰近零件也發(fā)生高溫退火，產(chǎn)生滾針軸承燒蝕等一系列失效。

（2）潤滑不充分，軸承摩擦發(fā)熱不能及時帶走，是發(fā)生燒蝕的重要原因。故障現(xiàn)象解釋：輸出軸承滾子磨損和燒蝕，會使得輸出軸支撐出現(xiàn)大幅度的偏擺，同步器掛擋會比較困難，且如果掛上檔，也容易掉檔。

3 改進方案及驗證

3.1 改進方案

通過上文失效分析，我們知道可以從兩方面入手進行，一方面提高軸承的軸向承載能力，另一方面加強潤滑。

3.1.1圓柱滾子軸承強化設計

圓柱滾子軸承的特點是徑向承載能力很大，軸向承載能力有限，根據(jù)查閱相關軸承資料［4］，滾子軸承的軸向承載能力有下面經(jīng)驗式：

式中：Pt旋轉(zhuǎn)時的允許軸向負荷；k：軸承內(nèi)部設計所決定的系數(shù)；d：軸承內(nèi)徑 mmPz：擋邊允許表面壓力 Mpa。

在軸承外部尺寸不變的情況下，根據(jù)以上經(jīng)驗公式和圖表可以知道：增大軸承擋邊系數(shù)，即加大軸承內(nèi)圈擋邊外徑，提高其軸向承載能力；另外，內(nèi)、外圈以及平擋圈進行特殊熱處理，提高軸承的表面耐磨性。

3.1.2增強潤滑

通過在上蓋設置導油板、變速器殼體設置儲油槽、后軸承蓋設置潤滑油道和回油道的方式，將變速器內(nèi)部的飛濺油收集并通過圖5所示的結(jié)構(gòu)方案，從而最終在輸出軸承的后部形成一個小的油池，油會以浸透的方式從外向里潤滑軸承滾子，并且多余的油會通過回流孔流回變速器殼體內(nèi)部。

圖4 潤滑結(jié)構(gòu)剖視圖

3.2 方案驗證

（1）通過聯(lián)合軸承廠家，進行軸承擋邊系數(shù)優(yōu)化和特殊熱處理后的圓柱滾子軸承，進行軸承單體壽命試驗，結(jié)果見表2所示：

表2 軸承單體試驗數(shù)據(jù)表

其中試驗載荷是按照實際滿載最大載荷給定，可以看出壽命L10壽命是239小時，軸承壽命滿足要求。

（2）增強潤滑前后對比

圖5 增強潤滑前后對比

在后軸承蓋靠近軸承底部打孔，來觀察前后的漏油量，圖5 a）是沒有導油板并堵住變速器殼體儲油槽孔時的情況，圖5 b）是采取本文所述方案的情況?？梢钥闯霾捎帽疚姆桨福S承底部的油量充足，潤滑效果明顯。

（3）通過變速器疲勞臺架試驗和用戶路試情況，目前改進方案的效果明顯，有效解決了輸出軸承燒蝕的問題，圖6 a)是改進前方案臺架試驗完成后軸承的情況，可以看出擋圈已經(jīng)有燒痕；圖6 b)是改進后方案臺架試驗完成后軸承的情況，可以看出擋圈磨損很小。

圖6 改進前后試驗完成后軸承情況對比

4 結(jié)論

本文針對某中輕卡用變速器市場反饋的問題，從失效現(xiàn)象入手通過硬度法來判斷最初的熱源發(fā)生位置，并針對禍首零件進行了失效機理和相關影響因素分析，最終通過優(yōu)化軸承設計、增加強制潤滑的措施，有效解決了輸出軸的燒蝕問題，通過臺架和市場路試驗證，此改進方案措施可靠有效。本文的問題分析及改進方案對于其他變速器設計有著重要的參考價值。

[1] 王成彪.摩擦學材料及表面工程.國防工業(yè)出版社, 2012,2.42-441.

[2] 陳家瑞.汽車構(gòu)造:上,下冊[M].北京:機械工業(yè)出版社.2011.

[3] 宋進桂,龔宗洋.汽車變速器理論基礎選擇設計與應用.[M].北京:機械工業(yè)出版社.2011.

[4]NSK.滾動軸承綜合樣本.日本精工株式會社.2010.

Analysis and improvement of ablation problem of transmission output shaft

Liu Xiaolei

( Shaanxi Fast Auto Drive Engineering Institute, Shaanxi Xi’an 710119 )

Aiming at the ablation problem of the output shaft of a transmission, this paper analyzes the failure mechanism and related influencing factors, and puts forward improvement measures and structural schemes. The effectiveness of the scheme is verified through tests, and the ablation problem of the output shaft is solved. It has important reference value for the design of the transmission.

transmission; bearing lubrication; optimization

U463.212+.4

A

1671-7988(2018)20-80-03

劉曉雷，男，工學碩士，主要從事汽車傳動產(chǎn)品設計工作。

U463.212+.4

A

1671-7988(2018)20-80-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.20.028