汽车变速器齿轮设计及问题研讨

汽车变速器齿轮设计及问题研讨

侯洪超 马宗杰

北京汽车股份有限公司 北京市 101300

【摘  要】众所周知，不管是汽车的运行条件、还是运行环境，都极为特殊;行驶的汽车，因换挡极为频繁，致使变速箱中的齿轮、轴及轴承经常性地出现故障。相关统计表明，在所有汽车故障当中，因齿轮失效导致汽车变速器产生故障的要占到60%左右。变速器齿轮失效，主要表现为齿面磨损过度、点蚀剥落严重及因过度弯曲引起断齿等现象。在工作条件良好状况下，有关过度弯曲而引起断齿这种现象比较少出现，但这种现象只要产生，就可以比较容易判断出来;因此，随着不断发展的汽车技术，对变速器进行故障诊断，尤其是进行齿轮故障诊断，更是变得越来越重要。  　　【关键词】汽车;变速器;解析; 

　1齿轮载荷谱的制定  　　齿轮强度计算中最重要的一步是齿轮载荷谱的制定。齿轮承受应力是利用理论最大载荷计算得出并与齿轮材料的许用应力进行比较，从而得到汽车齿轮的“安全系数”。不过通过理论计算得出的结果与齿轮实际使用过程中还是有很大的差别。以下列举一些差别：  　　1.1齿轮载荷的差别  　　在齿轮的现实使用中，因为紧急停车、起步、以及路况等因素，齿轮不会总是恒定地承载额定的载荷，这样就会让变速箱等传动系零部件，造成大大高出额定载荷的冲击载荷。但是汽车在路面状况良好的状态下行驶时载荷又小于额定载荷。因此在确定试验方式时，在技术上要进行精确的处理。比如除去大于120%以上和小于50%以下的峰值载荷或者直接用额定载荷。  　　1.2齿轮工作循环次数的差别  　　不同档位的齿轮工作循环次数在实际的使用过程中一定是不同的。不同车型即使使用同一变速箱其使用工况也是有差异的。例如工程自卸车和牵引车，他们的使用有着本质的不同。  　　工程自卸车高档区齿轮的使用效率较牵引车低，这是因为牵引车通常是在高速公路或者路况比较好的路面行驶。同时牵引车的倒档以及低档的利用效率又比工程车低。因此变速箱的所匹配车型的具体使用用途对于制定载荷谱来说是很重要的。尽量做到“因车而异”  　　基于以上两点差别，在实际的齿轮设计中，工程技术设计人员通常要对同类产品进行对比并根据自己多年的经验进行设定一个相对安全允许强度即“经验值”。同时其他方面也有很多的不同，比如制造工艺、工况、档位、材料甚至许用值也是不同的，这些只能定量的计算，只能定性的分析。  　　既然有这么多的不同，那怎样才能在设计过程中根据道路载荷谱精确的确定设计载荷谱呢？通过试验可以确定齿轮材料的抗疲劳性能，这是基本的常识，疲劳破坏经历的不同循环次数N，是在不同应力下产生的。这样就可以得到关于循环次数N和应力的疲劳曲线，高周疲劳通常会引起车辆变速箱齿轮的失效，因此齿轮材料的循环次数不能低于 高周疲劳有限寿命。  　　2汽车自动变速器中的故障诊断  　　2.1容易产生打滑 汽车运行过程中，在踩油门后车速无法提高，或汽车在上坡时缺乏行驶的动力，产生此类情况时，驾驶员应快速思考是否是自动变速器发生了故障。而导致这一故障的原因有很多：（1）汽车自动变速器的制动器内密封圈使用过久，未进行及时更换，致使零件过度磨损产生脱落，从而使自动变速器漏油；一旦油压与供油减少，就会使汽车缺乏运行动力；（2）汽车自动变速器内的油泵被损坏也会使汽车漏油、油压减少，让汽车缺乏运行动力且无法提速。  　　2.2容易产生漏油 汽车自动变速器产生漏油的关键因素是汽车自动变速器平面发生了变形，或者是由于自动变速器在进行加工时工作人员缺乏耐心，从而使汽车关键部件中的固定螺栓产生松动。一旦发生此类故障，须从集中漏油的地方着手，判断具体的故障原因，采用具有针对性的排除方法。  　　2.3无法升档 汽车在运行过程中自动变速器无法提升到高速档或超速档，产生此故障的原因有：节气门拉索的调整不正确；节气门的位置传感器与电路故障；调速阀及其油路故障；车速传感器故障；换档电磁阀故障；高档离合器与制动器故障；档位开关故障等。  　　3主要的诊断方法  　　3.1磨损残余物分析诊断方法  　　对于汽车变速箱齿轮而言，其最为主要也是最为常见的失效形式就是磨损失效；汽车在运行过程中，若出现齿面磨损，则可以在润滑油中找到这些磨损的残余物；对于磨损残余物分析诊断方法来讲，其对机器失效有关信息的快速获取，主要是基于对机械零部件磨损残余物在润滑油中残余物含量的测定来完成的。当前进行测定的主要有两种方法：1对残余物进行直接检查，以及通过对润滑油浑浊度变化、电感的变化以及油膜间隙内电容的测定来快速获得有关零件失效的重要信息；2收集残余物，例如，应用特殊的过滤器或者磁性探头等来把工作表面因疲劳而形成的大块剥落物收集起来。实践表明，应用磨损残余物故障这种分析方法来对变速器中的磨损类型故障进行检测诊断，是相当有效的；相比于其他故障诊断方法，诸如振动诊断方法，这种诊断方法在对磨损类型故障诊断方面，更具有优势，因而对汽车变速器磨损故障进行判断的有力手段就是磨损残余物分析诊断方法。  　　3.2振动检测技术诊断法 有关机械振动信号，这是当前诊断技术采用最多的一种信号，这主要是基于由振动所产生的机械损坏具有相当高的比率；根据相关资料可知，由机械振动而带来的机械故障超过三分之二；此外，最容易获得的振动信号，是来自机械运转中所产生的，而且在振动信号中，还具有数量众多的能对机械设备状态进行反映的信号，通过振动的异常可把许多机械故障反应出来。振动检测技术诊断法，主要是基于对设备振动参数及特征的检测，来对设备状态和故障进行分析的一种方法。  　　3.3声发射技术诊断法 这种诊断方法，就是应用仪器进行检测、对声发射信号进行分析和利用的一种故障诊断方法。对汽车变速箱齿轮而言，因其的高速旋转，致使运行中不可避免地产生热弯曲、不对称等现象，带来转子碰撞，故在金属以内的晶格，将出现重新排列或滑移，此过程因能量发生变化，变化的能量将通过弹性波这种形式来进行释放，这就形成了声发射信号；一定要应用专门技术，来把背景噪声的干扰排除掉。声发射监测这种检测方法，具有无损动态检测特点，但它又不同于其他无损检测方法，因声发射信号是产生于外部条件的作用下，故对于那些缺陷变化，相当敏感，对于那些微米数量级的显微裂纹的扩展和发生的相关信息，可以轻而易举地检测出来，故具有极高的灵敏度。  　　4结束语  　　针对汽车变速器齿轮的设计进行一些问题的粗浅的探讨研究，通过对齿轮载荷谱的制定、齿轮的修形、以及齿轮噪声指标的确定和重合度的设计计算，更加的了解到齿轮在设计过程中的精密性以及对车辆安全行驶的重要性，同时也了解到一些理论的计算结果与实际的使用过程中还是有很大的差别的，在设计过程中有的计算运用到计算机及相关软件计算出结果，但是在实际的运用过程中并不是很合理。因此在设计时一定要结合实际进行研究设计，设计出的齿轮才有实际用处才能更加符合匹配车辆的使用。  　　参考文献：  　　[1]ThomasMerath，JoachimNaas，FranzJoachim等.基于有限元法的汽车变速器齿轮与轴承优化[J].传动技术，2015，29（2）：3-13，20.DOI：10.3969/j.issn.1006-8244.2015.02.001.  　　[2]高勇.微型汽车变速器传动效率的影响因素分析及试验研究[D].武汉理工大学，2013.  　　[3]王卫群.汽车变速器故障诊断专家系统研究[D].机械科学研究院，2006.  　　[4]周林，吴昊，程晓民等.螺旋伞齿轮摆动辗压成形三维有限元模具M[J].热加工工艺，2010，39（7）：80-82.DOI：10.3969/j.issn.1001-3814.2010.07.025.