蔣立強(qiáng)，馬 勇，2*

（1.寧波吉利羅佑發(fā)動機(jī)零部件有限公司，浙江 寧波 315336；2.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

引言

傳動系統(tǒng)開發(fā)是變速器整個開發(fā)過程中關(guān)鍵度占比相對較大的部分。GL-7DCT變速器在開發(fā)階段試驗期間，發(fā)生了一擋齒輪異常磨損的問題，同時部分樣機(jī)發(fā)生了輪齒斷裂的故障。

針對此類型問題及故障，研發(fā)設(shè)計團(tuán)隊進(jìn)行大量的分析、改進(jìn)及驗證工作，下面將整個過程加以闡述。

1 一擋齒面異常磨損原因調(diào)查

1.1 試驗臺架及試驗工況介紹

由于該問題出現(xiàn)在研發(fā)初期，此時并沒有試驗用車進(jìn)行整車試驗，因此問題發(fā)生在試驗臺架期間，有必要對試驗臺架臺架及試驗工況進(jìn)行一下簡單的描述。吉利動力研究院用來進(jìn)行變速器耐久試驗的設(shè)備為一套動力總成臺架。該臺架共計包含三個交流異步測功機(jī)，一個為驅(qū)動端測功機(jī)，用于變速器驅(qū)動端動力輸入，另外兩個為加載測功機(jī)，用于變速器半軸端輸出。臺架結(jié)構(gòu)見圖2。其中驅(qū)動測功機(jī)為扭矩控制，加載測功機(jī)為轉(zhuǎn)速控制[1]。

其中一擋臺架試驗載荷譜是根據(jù)集團(tuán)內(nèi)部國外某大型SUV的載荷原始數(shù)據(jù)進(jìn)行計算并轉(zhuǎn)化至臺架載荷譜。在計算過程中，將試驗載荷分成兩部分，分別對應(yīng)用戶250 000 km及350 000 km使用壽命。表1僅顯示了一擋的臺架測試工況，按照目標(biāo)客戶不同，將載荷分成了兩部分。

表1 一擋臺架測試工況

1.2 一擋齒輪齒面異常磨損問題概述

在GL-7DCT變速器研發(fā)工作進(jìn)展至吉利動力研究院研發(fā)體系的某個階段時，樣機(jī)試驗運(yùn)行至40%左右，大約30%的樣機(jī)出現(xiàn)一擋主動齒輪齒面點(diǎn)蝕及異常磨損，一擋從動齒輪齒面磨損和斷齒問題[2]。在此之前已經(jīng)歷過兩個設(shè)計階段的穩(wěn)態(tài)耐久試驗驗證，從未發(fā)生如此嚴(yán)重的磨損現(xiàn)象。

2 問題排查過程

問題處理過程歷經(jīng)4個階段：ABA換件排查過程、軸齒零件質(zhì)量排查過程、齒輪表面強(qiáng)度排查過程及潤滑效果排查過程。其中ABA換件排查過程及軸齒零件加工質(zhì)量排查過程屬于質(zhì)量排查過程，試驗過程中齒輪表面強(qiáng)度排查過程和潤滑效果排查過程屬于設(shè)計排查過程。

2.1 ABA換件排查過程

該問題從吉利動力研究院研發(fā)體系中比較靠后的階段開始發(fā)生，在此階段之前已經(jīng)歷兩個設(shè)計階段的穩(wěn)態(tài)耐久試驗驗證，并未發(fā)生如此嚴(yán)重的磨損現(xiàn)象；且該問題并非每臺試驗樣機(jī)都出現(xiàn)，但是出現(xiàn)的試驗樣機(jī)，試驗完成百分比均不會超過40%。鑒于此，先從零件質(zhì)量、裝配過程、臺架試驗過程進(jìn)行排查。排查結(jié)果見圖3。

經(jīng)過以上排查，問題鎖定在輸入軸/輸出軸總成。

2.2 軸齒零件加工質(zhì)量排查過程

樣機(jī)通過穩(wěn)態(tài)耐久試驗的設(shè)計階段中，軸齒材料及工藝均是國外某供應(yīng)商提供的，出現(xiàn)問題的設(shè)計階段中，軸齒材料及工藝均是國內(nèi)某供應(yīng)商提供的。具體排查歷經(jīng)2個階段：加工過程排查和失效件分析，具體排查過程及結(jié)果見圖4。

經(jīng)過以上排查，問題鎖定在輸入軸/輸出軸總成材料及工藝。

2.3 齒輪表面強(qiáng)度排查過程

在零件質(zhì)量排查過程中，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)供應(yīng)商軸齒毛坯材料混料情況，故采用另外一家供應(yīng)商樣件進(jìn)行驗證確認(rèn)；但是新供應(yīng)商樣件仍然出現(xiàn)失效現(xiàn)象。至此，質(zhì)量環(huán)節(jié)已排查完畢，進(jìn)入設(shè)計環(huán)節(jié)進(jìn)行排查。由失效件分析可知，無論是齒面磨損、點(diǎn)蝕，都是由于過大的齒面接觸應(yīng)力所致。

故采用不同的表面處理工藝，得到表面強(qiáng)度差值較大的齒輪進(jìn)行試驗，具體排查過程中使用的方案及結(jié)果[3-4]見圖5~圖7。經(jīng)過以上排查，各種表面強(qiáng)度均出現(xiàn)不同程度的表面磨損，因此非表面強(qiáng)度導(dǎo)致齒輪失效。

2.4 潤滑效果排查過程

至此，失效問題原因非表面處理工藝導(dǎo)致，將排查方面轉(zhuǎn)至潤滑效果方向：潤滑油量及油膜形成。首先排查潤滑油量：將樣機(jī)內(nèi)部潤滑油量增至10 L（可以加入最大潤滑油量），問題有所改善，但仍存在。試驗后樣機(jī)結(jié)果見圖8。

潤滑油量排查結(jié)束后，將排查方向調(diào)整至潤滑油膜形成條件方向。重新計算齒輪參數(shù)后，其中齒輪微點(diǎn)蝕安全系數(shù)0.801＜1，潤滑油安全系數(shù)0.764＜1，認(rèn)為齒輪微點(diǎn)蝕安全系數(shù)和潤滑油安全系數(shù)均不滿足潤滑油膜建立條件。

3 結(jié)論

根據(jù)齒輪微點(diǎn)蝕安全系數(shù)和油膜安全系數(shù)可知，需降低齒輪表面粗糙度，才能改善齒面異常磨損問題。優(yōu)化方案1：采用齒面光整工藝，將齒面粗糙度降低至R a0.2以下；優(yōu)化方案2：采用磷化工藝，極大改善齒輪表面的自潤滑功能，避免油膜破裂，從而改善齒面異常磨損問題。樣件試驗結(jié)果見圖9及圖10。

4 結(jié)語

目前乘用車自動變速器朝著大傳動比、大扭矩的趨勢發(fā)展，但是同時又要求輕量化設(shè)計。因此，可認(rèn)為是另外一種意義上的“功率密度”提高的表現(xiàn)；同時，純電動及混動變速器的設(shè)計，又增加了傳動系統(tǒng)高轉(zhuǎn)速的要求，也是對變速器的“功率密度”提出了更高的要求。

筆者認(rèn)為，在當(dāng)前的乘用車變速器設(shè)計過程中，必須要綜合考慮大扭矩、大傳動比、高轉(zhuǎn)速的需求，解決的方案很大程度上依賴于工藝的改變，通過工藝的改變來提升變速器的綜合性能。此次遇到的齒輪異常磨損，只是其中很小的一個方面，但是足夠警示我們，在乘用車變速器設(shè)計過程中，必須結(jié)合工藝來進(jìn)行設(shè)計，結(jié)合一定的抗疲勞設(shè)計進(jìn)行整個設(shè)計工作[5-6]。