基于有限元的齒輪箱惰輪端面磨損分析

杜春鵬 王佳 閔運東 劉薇 劉偉忠

摘? 要：在齒輪箱設(shè)計中，惰輪端面磨損經(jīng)常出現(xiàn)，本文通過有限元方法深入剖析了惰輪磨損的根本原因，即惰輪受到軸向力或徑向力產(chǎn)生的傾覆力偶矩，與殼體端面產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成劇烈摩擦，并提出了三種適用于不同結(jié)構(gòu)環(huán)境的解決對策，經(jīng)試驗驗證效果很好，為變速箱、取力器、驅(qū)動橋中的惰輪設(shè)計提供理論參考，避免以往經(jīng)驗設(shè)計的隨機(jī)性，提高了設(shè)計效率。

關(guān)鍵詞：齒輪箱惰輪;端面磨損;有限元分析;應(yīng)力集中

中圖分類號：U463.2? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? 文章編號：1005-2550（2019）03-0079-03

Abstract： In the gearbox design， the end wear of the idler often appears. In this paper， the essential cause of the idler wear is analyzed in detail by means of finite element method， the overturning moment due to the axial force or the radial force of the idler wheel is generated， it causes stress concentration on the end face of the housing， causing severe friction. This paper puts forward three solutions for different structural environment solutions， the test results show good results. It provides theoretical reference for idler design in gearbox， power take-off and transaxle， which avoid the randomness of past experience design and improve the design efficiency.

Key Words： Gearbox idler; End wear; Finite element analysis; Stress concentration

前言

磨損是影響機(jī)械壽命的主要因素之一，對于齒輪系統(tǒng)，輪齒的過度磨損不僅會影響齒輪的傳動精度和效率，還會造成機(jī)構(gòu)振動、產(chǎn)生噪聲等，嚴(yán)重時甚至?xí)馆嘄X斷裂，造成重大事故。磨損具有緩慢的漸進(jìn)性特點，對機(jī)械系統(tǒng)性能的影響也是一個漸進(jìn)性緩慢失效過程，與突發(fā)性失效相比往往容易被忽視，但其危害性卻很大[1]。對于齒輪磨損問題國內(nèi)外學(xué)者作了多年的研究，但由于磨損問題的復(fù)雜性，至今仍沒形成一套成熟有效的方法，以往的研究主要是以實驗為主，通過實驗測量磨損量或根據(jù)磨粒的鐵譜分析、尺寸分析來預(yù)測齒輪輪齒的磨損程度，但是由于實驗成本高，周期長，且不同的齒輪副、不同的工況條件其磨損特性也不一樣，實驗獲得的結(jié)果缺乏普適性?；诶碚摲治?，結(jié)合物理實驗，應(yīng)用數(shù)值仿真技術(shù)研究齒輪的磨損問題將是一條行之有效的途徑[2]。齒輪傳動是機(jī)械中最重要和應(yīng)用最廣泛的傳動形式之一。在齒輪傳動的失效形式中，齒面磨損占了很大一部分。國內(nèi)外很多專家學(xué)者都在致力于研究漸開線圓柱齒輪嚙合磨損，而針對惰輪磨損的研究很少，但惰輪在齒輪箱中占據(jù)了非常重要的位置，其磨損問題已經(jīng)影響到了變速箱的整體性能。

惰輪是指夾在兩個齒輪之間，與兩個齒輪都嚙合的齒輪，它的作用僅僅是改變前后兩個齒輪的轉(zhuǎn)動方向，而不改變傳動比，不可改變位置。其中齒輪箱中倒檔中間輪、行星輪，取力器中間輪都屬于惰輪[3]。惰輪布置時通常用滾針軸承加殼體端面支撐，一對相反的接觸力形成傾覆力矩由端面承擔(dān)，就容易導(dǎo)致端面磨損[4]。某變速箱和取力器在試驗中均出現(xiàn)了惰輪磨損，其關(guān)鍵原因在于惰輪采用傳統(tǒng)的布置方式，沒有考慮傾覆力矩產(chǎn)生的影響，因此進(jìn)行惰輪端面磨損原因分析顯得尤其重要。

1? ? 齒輪箱惰輪的結(jié)構(gòu)及磨損

惰輪與輸入和輸出齒輪同時接觸，尤其是斜齒輪和兩嚙合點軸向錯位的情況下，會產(chǎn)生較大的力偶矩，產(chǎn)生應(yīng)力集中，對惰輪端面的損傷很大，甚至造成惰輪的燒蝕。某變速箱倒檔惰輪處于輸入輪和輸出輪之間，如圖1所示，由于兩嚙合點不在同一平面內(nèi)，在試驗過程中，惰輪端面產(chǎn)生嚴(yán)重磨損，磨損量超過1mm，如圖2所示。目前傳統(tǒng)的理論計算校核無法分析其原因，因此本文采用有限元法對惰輪磨損現(xiàn)象進(jìn)行深入剖析并提出解決方案。

2? ? 磨損原因分析

根據(jù)磨損的疲勞理論，當(dāng)應(yīng)力幅小于材料的

彈性極限時，在彈性接觸條件下，超過疲勞破壞的循環(huán)次數(shù)106就會發(fā)生破壞;如果應(yīng)力大于材料的彈性極限，在塑性接觸條件下，其應(yīng)力循環(huán)次數(shù)只需幾次或十幾次就會發(fā)生低循環(huán)疲勞破壞。變速箱惰輪受到輸入齒輪和輸出齒輪施加的軸向及徑向力偶矩，會造成惰輪沿一側(cè)傾覆，如圖3所示。通過有限元對齒輪箱惰輪進(jìn)行強(qiáng)度分析的結(jié)果中，發(fā)現(xiàn)傾覆力矩是造成惰輪端面應(yīng)力集中的主要原因，長時間的疲勞接觸造成了端面磨損。

在有限元分析的基礎(chǔ)上采用Romax分析軟件進(jìn)一步剖析磨損的原因，探索倒檔惰輪端面安裝間隙對磨損的影響。惰輪端面安裝間隙為0.5mm，如圖5所示。端面間隙及軸承游隙的存在會造成齒輪的傾斜，經(jīng)Romax計算，該惰輪完全由軸承支撐時傾斜量為6.7rad，傾斜量大于端面安裝間隙（如圖6），造成端面尖角與殼體接觸（如圖7），接觸力高達(dá)53103N。

3? ? 解決對策研究

3.1? ?更改端面間隙

更改倒檔惰輪端面安裝間隙，使得端面安裝間隙大于齒輪傾斜量，傾覆力矩由滾針軸承承擔(dān)，經(jīng)Romax分析，滾針軸承受載荷過大，壽命無法達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（臺架試驗臺時200hrs），該方案對滾針軸承要求高。

3.2? ?更改端面接觸

在殼體與齒輪端面間加耐磨墊片，如圖8所示。考慮到端面間隙小不易進(jìn)油，在齒輪端面開螺旋油槽利于潤滑。此方案節(jié)省成本，結(jié)構(gòu)更改小，適用安裝空間小的變速箱倒擋惰輪。該方案已成功運用于東風(fēng)某變速箱倒檔惰輪中，下線產(chǎn)品沒出現(xiàn)惰輪磨損現(xiàn)象。

3.3? ?更改錐軸承

方案將原來的滾針軸承去掉，倒檔惰輪與倒檔軸過盈配合，將錐軸承安裝在殼體內(nèi)，如圖9所示。錐軸承支撐跨距長，既能很好地承擔(dān)傾覆力矩，壽命長，又避免了端面直接接觸，但需要較大的安裝空間，成本較前兩種方案高。在某取力器改進(jìn)中應(yīng)用了該方案，更改后，首先進(jìn)行了Romax仿真分析，錐軸承壽命合格，超過臺架試驗標(biāo)準(zhǔn)200hrs（見表2），臺架試驗順利通過，并經(jīng)過一年多的道路試驗未出現(xiàn)類似磨損問題，改善效果明顯，得到了用戶的廣泛認(rèn)可。

4? ? 小結(jié)

惰輪磨損是齒輪箱設(shè)計中經(jīng)常出現(xiàn)的問題，不同的結(jié)構(gòu)需要不同的對策，不能一概而論，本文基于有限元深入剖析了惰輪磨損的原因，并提出了三種解決對策適用于不同結(jié)構(gòu)環(huán)境，找出了問題的本質(zhì)所在，明確了惰輪布置規(guī)范，積累了理論和試驗依據(jù)，避免以往經(jīng)驗設(shè)計的隨機(jī)性，提高了設(shè)計效率，減少了市場索賠，為所有齒輪箱惰輪提供設(shè)計參考，實用價值大。

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