黃興 方家賦 方柄桓

摘 要：齒軸系統(tǒng)是變速器重要的組成部分，齒輪失效會(huì)造成變速器總成功能性失效，影響行車安全。本文針對(duì)SH206K1變速器輸出軸斷齒問題，從設(shè)計(jì)角度和制造角度出發(fā)，結(jié)合魚骨圖分析法，最終找到了斷齒原因并提出優(yōu)化措施。

關(guān)鍵詞：變速器;齒軸失效;斷齒;殘余應(yīng)力不足

SH206K1變速器OTS階段樣機(jī)在進(jìn)行總成壽命試驗(yàn)時(shí)，多次出現(xiàn)齒輪失效報(bào)警，通過(guò)拆卸檢查，均發(fā)現(xiàn)輸出軸上主減主動(dòng)齒輪斷齒。斷齒情況如圖1。

1 斷齒原因分析方法

斷齒原因采用魚骨圖分析法如下：

2 斷齒原因分析

2.1 齒輪系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

SH206K1變速器全套軸系借用某批產(chǎn)型號(hào)變速器，兩者的最大輸入扭矩均為280Nm，齒輪設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。針對(duì)本次故障，CAE復(fù)核設(shè)計(jì)強(qiáng)度，結(jié)果如表1所示。

從圖3嚙合受力示意圖可以看出，在最大輸入扭矩280Nm時(shí)輸出軸嚙合最大，受力約為2446MPa。由于其它項(xiàng)目齒輪最大受力達(dá)到3000MPa，且SH206K1要求對(duì)齒輪進(jìn)行200%強(qiáng)噴，因此可初步對(duì)比判斷該受力可接受。但通過(guò)圖片可以發(fā)現(xiàn)齒輪的受力位置不太合理，存在風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 齒輪系統(tǒng)制造分析

2.2.1 齒輪精度分析

輸出軸和主減從動(dòng)齒精度（齒形齒向）對(duì)齒輪嚙合的強(qiáng)度有較大影響，因此我們對(duì)輸出軸和主減從動(dòng)齒精度進(jìn)行分析（如圖4）后，結(jié)論有三個(gè)：

1）故障機(jī)輸出軸反拖面齒頂有凸起，工作面齒根有異常磨損;2）同批次輸出軸反托面齒頂有凸起;3）輸出軸和主減從動(dòng)齒的修形EAP點(diǎn)（有效嚙合終止點(diǎn)）高于設(shè)計(jì)要求。

在顯微鏡下觀察同批次輸出軸，發(fā)現(xiàn)輸出軸的個(gè)別齒齒根在斷齒側(cè)有異常凸起。

2.2.2 金相分析

除了對(duì)齒形齒向進(jìn)行分析，還要對(duì)其它項(xiàng)目分析，其結(jié)果如表2：

2.2.3 齒輪制造系統(tǒng)分析小結(jié)

1）對(duì)故障件和同批次零件檢測(cè)發(fā)現(xiàn)：輸出軸齒頂有凸起，輸出軸和主減從動(dòng)齒的修形EAP點(diǎn)均高于設(shè)計(jì)要求;

2）對(duì)故障機(jī)輸出軸和主減從動(dòng)齒輪其它項(xiàng)目分析僅發(fā)現(xiàn)殘余應(yīng)力超差;

3）輸出軸主減從動(dòng)齒部分齒齒根有異常凸起。

2.3 殼體系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

（1）SH206K1變速器前殼體僅更改發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合面尺寸，內(nèi)部尺寸與已批產(chǎn)的SH206K一致。

（2）SH206K1前殼體軸承孔位置CAE分析與SH206K相當(dāng)，滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）SH206K1變速器后殼體與借用的是已批產(chǎn)的SH206K后殼體。

（4）SH206K變速器殼體已完全通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)和整車驗(yàn)證。

（5）2019年1月和2月分別完成兩臺(tái)SH206K1型變速器靜扭試驗(yàn)，殼體均無(wú)異常。

綜上可得結(jié)論：SH206K1殼體滿足設(shè)計(jì)要求，不存在因殼體變形導(dǎo)致軸系偏載的可能。

2.4 裝配分析

（1）本批次變速器裝配時(shí)均有裝配記錄，檢查軸向間隙，并對(duì)重要零部件進(jìn)行編號(hào)記錄。

（2）SH206K1分解故障機(jī)時(shí)檢查其余零部件，無(wú)漏裝、異常磨損等現(xiàn)象。

（3）SH206K1總成下線時(shí)通過(guò)校驗(yàn)試驗(yàn)檢測(cè)（空載），未發(fā)現(xiàn)異常。

（4）用壓鉛法測(cè)量輸出軸和主減從動(dòng)齒側(cè)隙約為0.2～0.24;設(shè)計(jì)要求該齒輪副法向側(cè)隙為0.049～0.152;但考慮本次為故障機(jī)殼體及錐軸承均拆裝過(guò)，側(cè)隙超上差屬正常情況。

（5）僅更換輸出軸和主減從動(dòng)齒后進(jìn)行嚙合斑點(diǎn)試驗(yàn)，嚙合區(qū)域正常無(wú)偏載。

綜上所述，裝配問題不是本次斷齒故障產(chǎn)生的原因。

2.5 外部因素分析

（1）試驗(yàn)按照2017.01.13發(fā)布的《SH206K系列變速器總成疲勞壽命試驗(yàn)大綱》進(jìn)行試驗(yàn)。已在SH206K項(xiàng)目上驗(yàn)證過(guò)，試驗(yàn)規(guī)范無(wú)問題。

（2）第1臺(tái)斷齒報(bào)警前（第1個(gè)循環(huán)3檔運(yùn)行過(guò)程中）無(wú)異常。 （3）試驗(yàn)臺(tái)架現(xiàn)在正在做SCM360變速器的試驗(yàn)，正常進(jìn)行。

小結(jié)：外部因素不是本次故障產(chǎn)生的原因。

3 斷齒原因總結(jié)

按照故障件的實(shí)際修形情況同時(shí)不考慮強(qiáng)噴，在280Nm時(shí)對(duì)輸出軸主動(dòng)齒進(jìn)行受力分析，結(jié)果如圖5。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，實(shí)物的受力區(qū)域要較CAE分析更靠近齒根，且區(qū)域仍是偏向外側(cè)。

結(jié)合上文大量分析發(fā)現(xiàn)存在問題項(xiàng)為：

（1）輸出軸和主減從動(dòng)齒的EAP點(diǎn)高于設(shè)計(jì)值。

（2）輸出軸殘余應(yīng)力不足。

（3）輸出軸部分齒的齒根有異常凸起。

（4）齒輪嚙合受力區(qū)域偏向外側(cè)。

總結(jié)：輸出軸當(dāng)前修形情況不佳，殘余應(yīng)力不足會(huì)造成彎曲強(qiáng)度不足，加上問題項(xiàng)3齒根有異常凸起造成應(yīng)力集中，會(huì)造成斷齒故障。如果無(wú)齒根凸起且殘余應(yīng)力滿足要求，輸出軸當(dāng)前修形彎曲系數(shù)也可達(dá)到1.14*1.2=1.37，故本次故障的主要原因?yàn)檩敵鲚S殘余應(yīng)力不足及齒根有異常凸起。

4 失效的解決方案

通過(guò)對(duì)斷齒原因的分析，我們提出以下解決措施：

（1）齒根有異常凸起的原因是滾齒的Fp偏差較大，在滾齒加工的過(guò)程中，齒向的傾斜偏差FHβ及M值偏上差，剃齒加工時(shí)M值偏下差，會(huì)導(dǎo)致齒根部分出現(xiàn)臺(tái)階，因此后續(xù)生產(chǎn)滾齒階段FHβ由（0.01-0.03）優(yōu)化為（0.01-0.025），M值由64.91±0.02改為64.91（+0.01，-0.02）;剃齒加工時(shí)M值由64.76±0.02改為64.76（+0.02，-0.01）;同時(shí)控制Fp在0.03以內(nèi)。

（2）強(qiáng)噴設(shè)備氣壓不穩(wěn)定，當(dāng)氣壓低于0.36Mpa的下限值時(shí)會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)噴質(zhì)量沒有得到保證，因此需要為強(qiáng)噴設(shè)備單獨(dú)增加空壓機(jī)，保證強(qiáng)噴氣壓穩(wěn)定（低于設(shè)定壓力時(shí)會(huì)報(bào)警）。

（3）強(qiáng)力噴丸設(shè)備的工裝磨損會(huì)導(dǎo)致噴丸位置偏離，造成齒面拋丸質(zhì)量達(dá)不到要求，因此需要定期檢查工裝高度及其磨損情況，并定期更換。

（4）EAP點(diǎn)高的原因是因?yàn)榻饎傒喴哑x圖紙要求，供應(yīng)商需要立即整改。

（5）該齒輪的受力位置不好，存在隱患。需要對(duì)主減速齒輪副調(diào)整修形方案，降低了其在一檔工況下的齒面接觸應(yīng)力。