商用車變速器中直齒輪和斜齒輪使用過程膠合風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)測

1、商用車變速器中直齒輪和斜齒輪使用過程膠合危險(xiǎn)預(yù)測Carlo H.WinkAGMA925-A03(參考文獻(xiàn)1)對(duì)變速箱中一系列直齒和斜齒輪膠合危險(xiǎn)預(yù)測理論被應(yīng)用在商用車上，其范圍從SAE(美國汽車工程師協(xié)會(huì))3類到8類。引言由于對(duì)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)高能效需求的不斷增長，就要求柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在較低速度下運(yùn)行，要求傳動(dòng)系統(tǒng)功率密度更高，要求改良系統(tǒng)潤滑油以提高效率，并要求采用新技術(shù)以提高系統(tǒng)的兼容性。在這種形勢(shì)之下，商用車變速器輪齒膠合的風(fēng)險(xiǎn)得到了越來越多的重視。因此，在設(shè)計(jì)階段，膠合危險(xiǎn)預(yù)測對(duì)商用車傳動(dòng)系統(tǒng)的成功設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。AGMA925-A03(參考文獻(xiàn)1)是一個(gè)預(yù)測齒輪膠合概率比較全面的方法。本文

2、介紹了AGMA925-A03(參考文獻(xiàn)1) 對(duì)50組直齒輪和斜齒輪膠合危險(xiǎn)預(yù)測理論，其中這些齒輪被應(yīng)用在SAE規(guī)定的 3類到8類商用車上的成套變速器中。使用兩種特定的礦物和三種合成齒輪潤滑劑來限制膠合溫度是由FZG（齒輪疲勞試驗(yàn)機(jī)）膠合試驗(yàn)決定的。依據(jù)AGMA925-A03(參考文獻(xiàn)1)，膠合危險(xiǎn)取決于不同的齒輪組。預(yù)測的結(jié)果要與相關(guān)領(lǐng)域數(shù)據(jù)，質(zhì)保數(shù)據(jù)以及測力機(jī)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。預(yù)測在所有的情形下都是正確的。對(duì)于已產(chǎn)生膠合的齒輪，被預(yù)測有高膠合危險(xiǎn)，對(duì)于其他齒輪沒有膠合經(jīng)歷的情形，被預(yù)測有低膠合危險(xiǎn)。此文獻(xiàn)涉及關(guān)于預(yù)測，試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際應(yīng)用之間的關(guān)系，會(huì)逐步增加對(duì)商用車變速器中齒輪膠合危險(xiǎn)預(yù)測的

3、信心。背景膠合失效引起輪齒局部損傷，最終導(dǎo)致接觸表面粗糙的同時(shí)也使輪齒形狀發(fā)生改變。這種類型的損傷一般發(fā)生在接觸壓力和滑動(dòng)速度比較高，并且遠(yuǎn)離節(jié)線的輪齒接觸區(qū)域內(nèi)。這種輪齒的損傷會(huì)增加震動(dòng)和噪聲，降低齒輪的承載能力，最終導(dǎo)致嚴(yán)重的故障（參考文獻(xiàn)2）。作為一種嚴(yán)重的粘著磨損現(xiàn)象，當(dāng)位于輪齒接觸表面的潤滑油膜厚度不足，難以阻止金屬與金屬的直接接觸時(shí)，接觸區(qū)域會(huì)發(fā)生局部熔融，隨之會(huì)產(chǎn)生金屬表層撕裂，最終導(dǎo)致膠合的發(fā)生。金屬顆粒在兩個(gè)接觸表面上被轉(zhuǎn)移或者脫落；它們?cè)诨瑒?dòng)方向上會(huì)刮傷齒面。膠合并不是一種疲勞現(xiàn)象，因?yàn)樗赡茉趪Ш系拈_始階段就會(huì)發(fā)生（參考文獻(xiàn)3-4）?，F(xiàn)有幾種預(yù)測膠合危險(xiǎn)的分析方法；然而，

4、決定一個(gè)齒輪設(shè)備是否會(huì)發(fā)生膠合的臨界值仍然主要依賴于經(jīng)驗(yàn)。AGMA925-A03(參考文獻(xiàn)1)的膠合危險(xiǎn)評(píng)估的方法是一個(gè)函數(shù)，這個(gè)函數(shù)涉及到潤滑油的粘度和添加劑；齒輪嚙合時(shí)的平均溫度；滑動(dòng)速度；輪齒的表面粗糙度；齒輪材料和熱處理方式；以及表面壓力。膠合危險(xiǎn)的確定是通過比較計(jì)算出的齒面接觸溫度和極限膠合溫度得出的；這種方法的實(shí)施，要通過對(duì)每一種齒輪潤滑劑進(jìn)行齒輪膠合試驗(yàn)。接觸溫度計(jì)算輪齒嚙合區(qū)域的閃溫通過BLOK方程1求得。 （1）其中： fl(i)為齒面嚙合點(diǎn)閃溫，；K 值0.8，為在帶狀區(qū)域，瞬時(shí)接觸時(shí)摩擦熱赫茲分布因子；m(i) 為摩擦系數(shù)；X(i) 為載荷分配系數(shù)；wn 為正常單位載荷，

5、N/mm；vr1(i) , vr2(i)分別為小齒輪和大齒輪相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)切向速度，m/s；BM1, BM2鋼的熱接觸系數(shù)，值為13.6N/(mm²K)； bHi為赫茲接觸帶的半寬度，mm；i為下標(biāo)，表示嚙合線上某一點(diǎn)在嚙合線上任意一點(diǎn)的接觸溫度可由方程2求得。 B(i)=M+fl(i) （2）其中： B(i)為接觸溫度，；M為輪齒溫度，表示輪齒表面進(jìn)入嚙合區(qū)之前的溫度。輪齒溫度可以通過計(jì)算，測量或者依據(jù)經(jīng)驗(yàn)得出。通過計(jì)算的方法得到輪齒溫度，由計(jì)算方程3估算而得。M=Ksumpoil+0.56fl max (3)其中： Ksump若系統(tǒng)潤滑為飛濺潤滑時(shí)取1；系統(tǒng)為噴霧潤滑時(shí)取1.5； o

6、il為供油溫度或者油槽溫度，； fl max為嚙合線上任意一點(diǎn)i方程1的最大閃溫。最大接觸溫度有方程4得到。 B max=M+fl max (4)其中： B max為最大接觸溫度，當(dāng)最大接觸溫度接近或者高于膠合臨界溫度時(shí)，膠合將有可能發(fā)生。臨界膠合溫度膠合臨界溫度是指，在給定的潤滑劑和齒輪材料的綜合情形下，輪齒可能發(fā)生膠合之時(shí)的接觸溫度（參考文獻(xiàn)1）。膠合臨界溫度可以通過齒輪膠合試驗(yàn)獲得，比如FZG試驗(yàn)，該試驗(yàn)是全世界廣泛應(yīng)用的評(píng)估不同潤滑劑抗膠合能力的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)。依照于CEC L-84-02(參考文獻(xiàn)6)的FZG試驗(yàn)設(shè)計(jì)是由歐洲協(xié)作委員會(huì)（CEC）設(shè)計(jì)的，該試驗(yàn)在歐洲乃至整個(gè)世界被廣泛應(yīng)用

7、于汽車和石油工業(yè)。FZG齒輪試驗(yàn)臺(tái)在恒定速度下運(yùn)行一固定時(shí)間段，期間載荷會(huì)不斷增加直到輪齒達(dá)到失效標(biāo)準(zhǔn)。然后，檢查試驗(yàn)齒輪在規(guī)定的持續(xù)時(shí)間段及每不同載荷作用時(shí)，試驗(yàn)前后齒面膠合損壞情況。當(dāng)試驗(yàn)齒輪所有齒的膠合區(qū)域?qū)挾鹊目偤统^齒輪端面寬度時(shí)，齒輪失效。2004年，Eaton公司旗下的車輛集團(tuán)施行了一個(gè)范圍廣闊的項(xiàng)目，是為了調(diào)查變速器齒輪膠合試驗(yàn)方法的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以及它們與測功機(jī)上的膠合試驗(yàn)（采用不同潤滑劑的膠合試驗(yàn)）結(jié)果之間的關(guān)聯(lián)。這項(xiàng)調(diào)查的動(dòng)機(jī)源于Eaton公司的變速器要采用更長的換油周期，以及采用新型的潤滑劑。在這些情況下，前ASTM D5182-9（參考文獻(xiàn)3）闡述的膠合方法與已知膠合的發(fā)

8、生情形沒有關(guān)聯(lián)。由CEC L-84-02（參考文獻(xiàn)6）定義的FZG方法，被命名為A10/16.6R/120,它和測功試驗(yàn)取得的結(jié)果保持了一致性。Eaton公司自此便采用這種測試方法作為齒輪潤滑劑質(zhì)量評(píng)定和審批的部分內(nèi)部程序。A10/16.6R/120代表A型齒輪的幾何參數(shù)，其中節(jié)線速率為16.6m/s，油槽溫度為120。A型齒輪被設(shè)計(jì)成具有較高的齒頂高，以產(chǎn)生高的滑動(dòng)速度，并且僅僅制造有10mm的齒面寬度，這是為了增加接觸應(yīng)力，以使得相比20mm齒面寬的輪齒膠合更容易發(fā)生。10mm齒寬的試驗(yàn)也被稱為“半齒，雙速試驗(yàn)?！眻D1所示為FZG試驗(yàn)后的A型齒輪。圖1 FZG 試驗(yàn)后的A型齒輪膠合風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測

9、當(dāng)最大接觸溫度接近或者高于由潤滑劑與齒輪材料共同決定的極限接觸溫度之時(shí)，膠合將有可能會(huì)發(fā)生。膠合發(fā)生的概率可以通過比較接觸溫度與極限接觸溫度的大小來預(yù)測。AGMA925-A03中膠合發(fā)生的概率是由一個(gè)關(guān)于膠合溫度的高斯分布得到的，假設(shè)該高斯分布的變異系數(shù)為0.15。接觸溫度是自由變量， 表一 依據(jù)AGMA925-A03的膠合危險(xiǎn)膠合發(fā)生的概率膠合風(fēng)險(xiǎn)<10%底10%到30%中等>30%高極限膠合溫度為該自由變量的平均值，假設(shè)自由變量的標(biāo)準(zhǔn)偏差是膠合溫度的0.15倍。于是，AGMA925-A03（參考文獻(xiàn)1），依據(jù)計(jì)算的概率（表1）提出了一個(gè)評(píng)估膠合危險(xiǎn)的標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用實(shí)例在這項(xiàng)研究中，

10、運(yùn)用AGMA925-A03（參考文獻(xiàn)1）膠合危險(xiǎn)評(píng)估方法對(duì)50個(gè)齒輪組進(jìn)行了評(píng)估。24個(gè)直齒輪組和26個(gè)斜齒輪組參與了評(píng)估，其中斜齒輪的壓力角介于12-33°。這些齒輪被應(yīng)用在9中不同類型的商用車變速箱中，這些車有18種前進(jìn)速度，傳遞轉(zhuǎn)矩容量介于402Nm-2500Nm.車型包括輕型皮卡，貨車，公共汽車，和專用重載卡車。圖2和圖3給出了齒輪裝置的基本幾何參數(shù)和操作參數(shù)，比如，模數(shù)，壓力角，重合度，接線速度，滑動(dòng)速度。所有的齒輪都經(jīng)過表面硬化，表面硬度值為58-63HRc。加工這些齒輪裝置時(shí)，采用了獲取相應(yīng)齒面光潔度的加工工藝1）剃齒：表面粗糙度Ra=1.25mm;2)珩齒：Ra=0.

11、40mm，3）CBN磨削：Ra=0.63mm。 圖2被研究齒輪的特性 圖3 齒輪的滑動(dòng)速度與端面重合度依照AGMA 925-A03(參考文獻(xiàn)1)的推薦，每一個(gè)齒輪組的閃溫是應(yīng)用方程1，對(duì)嚙合線上的25個(gè)點(diǎn)計(jì)算而得來的。 摩擦系數(shù)是由AGMA 925-A03（參考文獻(xiàn)1）給出的公式得來，該公式是通過一個(gè)常數(shù)得到摩擦系數(shù)的近似值。摩擦系數(shù)是依據(jù)小齒輪和大齒輪的平均表面粗糙度計(jì)算得來的，并假定沿嚙合線恒定不變。最大摩擦系數(shù)值被限定在0.11.由分析模型預(yù)測的最大接觸溫度對(duì)摩擦系數(shù)的影響情況，已經(jīng)在其中一個(gè)齒輪組上進(jìn)行了研究。他們的摩擦系數(shù)從0.03到0.11隨機(jī)變化，相應(yīng)接觸溫度也計(jì)算出來。研究結(jié)果

12、表明，摩擦系數(shù)微小的變化可能不會(huì)顯著地影響接觸溫度的計(jì)算結(jié)果。例如，值為0.1的摩擦系數(shù)發(fā)生10%的變化，最大接觸溫度僅僅變化約6%（圖4）。但是，也有一些因素會(huì)顯著改變摩擦系數(shù)的值例如，改變表面加工工藝和獲得更光滑的表面可以顯著地影響最大接觸溫度。在計(jì)算商用車變速箱齒輪組的接觸溫度時(shí)，另外一個(gè)對(duì)計(jì)算不確定的因素就是載荷；例如轉(zhuǎn)矩，速度和功率。以內(nèi)燃機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)的汽車，會(huì)在特定的功率方式下運(yùn)行，該功率方式為表示發(fā)動(dòng)機(jī)功率特性曲線的方程。在典型的發(fā)動(dòng)機(jī)功率曲線上最大功率點(diǎn)與最大扭矩點(diǎn)并沒有關(guān)系。通常，最大轉(zhuǎn)矩是在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低的點(diǎn)，其值要比功率最大點(diǎn)高。為了找到膠合發(fā)生的臨界載荷條件，沿發(fā)動(dòng)機(jī)

13、功率曲線（圖5）取10個(gè)點(diǎn)，并計(jì)算各點(diǎn)的最大接觸溫度。最大接觸溫度隨發(fā)動(dòng)機(jī)功率曲線變化，即隨著功率的增大,接觸溫度也增大。接觸溫度的最大值在發(fā)動(dòng)機(jī)功率最大點(diǎn)獲得?；谠摻Y(jié)果,所有的計(jì)算結(jié)果都是在最大額定功率處計(jì)算而不是在最大扭矩處計(jì)算。這個(gè)研究中用了五種不同的齒輪潤滑劑兩種礦物油和三種合成潤滑油。表2顯示了膠合發(fā)生時(shí)，齒輪潤滑劑及其荷載狀況的基本特征。 然后使用AGMA 925-A03的方法,在膠合失效載荷點(diǎn)來計(jì)算FZGA型齒輪(A10/16.6R120)的極限變形溫度,并將結(jié)果制成表格。圖表2中有了五組齒輪的膠合溫度和計(jì)算得來的最大接觸溫度，通過對(duì)比接觸溫度和膠合溫度，膠合危險(xiǎn)情況就可以得知

14、。對(duì)比數(shù)據(jù)，有兩種方法可以采納：1）計(jì)算出接觸溫度和膠合發(fā)生溫度的比值，該值被命名為“膠合比率”；比率高于1通常被認(rèn)為膠合將有可能發(fā)生；2）依據(jù)AGMA 925-A03(參考文獻(xiàn)1)定義的膠合概率，膠合的危險(xiǎn)被評(píng)定為：底，中，或高。在這50組齒輪的研究中，在測功機(jī)試驗(yàn)和現(xiàn)場有4組有膠合失效。圖7和圖8所示分別表示50個(gè)齒輪組的膠合比率和膠合概率。在圖7和圖8中，發(fā)生膠合的四組齒輪被表示成紅色并且在結(jié)果前邊帶有星號(hào)。在已知發(fā)生膠合失效的四組齒輪中，膠合比率被預(yù)測為接近和高于1（圖7）。但是，查看膠合比率，僅僅會(huì)使我們認(rèn)為膠合會(huì)發(fā)生在5號(hào)齒輪組，該組的膠合比率大約為0.9。 圖4 摩擦系數(shù)對(duì)接觸溫

15、度結(jié)果的影響 圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)功率對(duì)接觸溫度結(jié)果的影響表2 齒輪潤滑劑齒輪潤滑劑12345油基合成礦物合成礦物合成粘度指數(shù)（ASTM）151194146164150運(yùn)動(dòng)粘度40（mm2/s）135.033.8132.051.040.5運(yùn)動(dòng)粘度100（mm2/s）18.27.617.59.17.4FZG試驗(yàn)*膠合失效載荷階段36976*FZG A10-16.6R120圖8指出運(yùn)用AGMA 925-A03膠合概率的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)觀測到膠合的四組齒輪，結(jié)果清晰的顯示有高的膠合危險(xiǎn)（高于30%）。圖6測功機(jī)試驗(yàn)中已膠合的齒輪組編號(hào)為5的齒輪組，他的膠合概率約為20%，在AGMA 925-A03(參考文獻(xiàn)1)被歸

16、為中等危險(xiǎn)。因此，運(yùn)用AGMA標(biāo)準(zhǔn)推薦的膠合概率，可以對(duì)膠合進(jìn)行更加清晰的評(píng)估。論述AGMA 920A03 標(biāo)準(zhǔn)被用來預(yù)測9個(gè)變速箱模型中的50組直齒輪和斜齒輪的膠合危險(xiǎn)情形；這些變速箱被應(yīng)用在商用車上，范圍從SAE(美國汽車工程師協(xié)會(huì)) 3類到8類。依據(jù)FZG試驗(yàn)結(jié)果，兩類礦物潤滑劑和三類合成齒輪潤滑劑的膠合溫度已經(jīng)得到。評(píng)估膠合危險(xiǎn)，要以AGMA 925-A03給出的膠合概率為基礎(chǔ)。結(jié)果表明：AGMA 925-A03在預(yù)測膠合危險(xiǎn)是有效的和一致的，作為驗(yàn)證，對(duì)已膠合齒輪，其結(jié)果與測功機(jī)試驗(yàn)和現(xiàn)場結(jié)果非常吻合，并且對(duì)于沒有膠合歷史的齒輪也是適合的。預(yù)測，試驗(yàn)結(jié)果以及實(shí)際運(yùn)用達(dá)成的一致，為商用

17、車變速器齒輪膠合危險(xiǎn)建立了信心。致謝。筆者感謝Eaton公司車輛集團(tuán)對(duì)本論文完成提供的幫助。膠合概率（%）齒輪組別 圖7 膠合比率結(jié)果（已膠合齒輪組） 圖8 膠合概率：>30%=高危險(xiǎn)（*膠合齒輪組）參考文獻(xiàn)1. AGMA 925A03. Effect of Lubrication on Gear Surface Distress.2. Townsend, D. P. Dudleys Gear Handbook, McGraw-Hill, 2nd Edition, 1992.3. ASTM D51829. Standard Test Method for Evaluating the Scuffing LoadCapacity of Oils.4. Davoli, P., E. Conrado and K. Michaelis. “Recognizing Gear Failures,”Machine Design magazine, June 2007.5. ANSI/AGMA2001D04. Fundamental Ra