商用車變速器中直齒輪和斜齒輪使用過程膠合風險的預(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預(yù)測Carlo H.WinkAGMA925-A03(參考文獻1)對變速箱中一系列直齒和斜齒輪膠合危險預(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)3類到8類。引言由于對汽車傳動系統(tǒng)高能效需求的不斷增長，就要求柴油發(fā)動機在較低速度下運行，要求傳動系統(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。在這種形勢之下，商用車變速器輪齒膠合的風險得到了越來越多的重視。因此，在設(shè)計階段，膠合危險預(yù)測對商用車傳動系統(tǒng)的成功設(shè)計是至關(guān)重要的。AGMA925-A03(參考文獻1)是一個預(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1) 對50組直齒輪和斜齒輪膠合危險預(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（齒輪疲勞試驗機）膠合試驗決定的。依據(jù)AGMA925-A03(參考文獻1)，膠合危險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)以及測力機試驗結(jié)果進行對比。預(yù)測在所有的情形下都是正確的。對于已產(chǎn)生膠合的齒輪，被預(yù)測有高膠合危險，對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。此文獻涉及關(guān)于預(yù)測，試驗結(jié)果和實際應(yīng)用之間的關(guān)系，會逐步增加對商用車變速器中齒輪膠合危險預(yù)測的

3、信心。背景膠合失效引起輪齒局部損傷，最終導致接觸表面粗糙的同時也使輪齒形狀發(fā)生改變。這種類型的損傷一般發(fā)生在接觸壓力和滑動速度比較高，并且遠離節(jié)線的輪齒接觸區(qū)域內(nèi)。這種輪齒的損傷會增加震動和噪聲，降低齒輪的承載能力，最終導致嚴重的故障（參考文獻2）。作為一種嚴重的粘著磨損現(xiàn)象，當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，接觸區(qū)域會發(fā)生局部熔融，隨之會產(chǎn)生金屬表層撕裂，最終導致膠合的發(fā)生。金屬顆粒在兩個接觸表面上被轉(zhuǎn)移或者脫落；它們在滑動方向上會刮傷齒面。膠合并不是一種疲勞現(xiàn)象，因為它可能在嚙合的開始階段就會發(fā)生（參考文獻3-4）。現(xiàn)有幾種預(yù)測膠合危險的分析方法；然而，

4、決定一個齒輪設(shè)備是否會發(fā)生膠合的臨界值仍然主要依賴于經(jīng)驗。AGMA925-A03(參考文獻1)的膠合危險評估的方法是一個函數(shù)，這個函數(shù)涉及到潤滑油的粘度和添加劑；齒輪嚙合時的平均溫度；滑動速度；輪齒的表面粗糙度；齒輪材料和熱處理方式；以及表面壓力。膠合危險的確定是通過比較計算出的齒面接觸溫度和極限膠合溫度得出的；這種方法的實施，要通過對每一種齒輪潤滑劑進行齒輪膠合試驗。接觸溫度計算輪齒嚙合區(qū)域的閃溫通過BLOK方程1求得。 （1）其中： fl(i)為齒面嚙合點閃溫，；K 值0.8，為在帶狀區(qū)域，瞬時接觸時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，表示嚙合線上某一點在嚙合線上任意一點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，表示輪齒表面進入嚙合區(qū)之前的溫度。輪齒溫度可以通過計算，測量或者依據(jù)經(jīng)驗得出。通過計算的方法得到輪齒溫度，由計算方程3估算而得。M=Ksumpoil+0.56fl max (3)其中： Ksump若系統(tǒng)潤滑為飛濺潤滑時取1；系統(tǒng)為噴霧潤滑時取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，當最大接觸溫度接近或者高于膠合臨界溫度時，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)生膠合之時的接觸溫度（參考文獻1）。膠合臨界溫度可以通過齒輪膠合試驗獲得，比如FZG試驗，該試驗是全世界廣泛應(yīng)用的評估不同潤滑劑抗膠合能力的工業(yè)標準試驗。依照于CEC L-84-02(參考文獻6)的FZG試驗設(shè)計是由歐洲協(xié)作委員會（CEC）設(shè)計的，該試驗在歐洲乃至整個世界被廣泛應(yīng)用

7、于汽車和石油工業(yè)。FZG齒輪試驗臺在恒定速度下運行一固定時間段，期間載荷會不斷增加直到輪齒達到失效標準。然后，檢查試驗齒輪在規(guī)定的持續(xù)時間段及每不同載荷作用時，試驗前后齒面膠合損壞情況。當試驗齒輪所有齒的膠合區(qū)域?qū)挾鹊目偤统^齒輪端面寬度時，齒輪失效。2004年，Eaton公司旗下的車輛集團施行了一個范圍廣闊的項目，是為了調(diào)查變速器齒輪膠合試驗方法的工業(yè)標準，以及它們與測功機上的膠合試驗（采用不同潤滑劑的膠合試驗）結(jié)果之間的關(guān)聯(lián)。這項調(diào)查的動機源于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6）定義的FZG方法，被命名為A10/16.6R/120,它和測功試驗取得的結(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)計成具有較高的齒頂高，以產(chǎn)生高的滑動速度，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齒寬的試驗也被稱為“半齒，雙速試驗。”圖1所示為FZG試驗后的A型齒輪。圖1 FZG 試驗后的A型齒輪膠合風險預(yù)測

9、當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，膠合將有可能會發(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的膠合危險膠合發(fā)生的概率膠合風險<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)自由變量的標準偏差是膠合溫度的0.15倍。于是，AGMA925-A03（參考文獻1），依據(jù)計算的概率（表1）提出了一個評估膠合危險的標準。應(yīng)用實例在這項研究中，

10、運用AGMA925-A03（參考文獻1）膠合危險評估方法對50個齒輪組進行了評估。24個直齒輪組和26個斜齒輪組參與了評估，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，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 齒輪的滑動速度與端面重合度依照AGMA 925-A03(參考文獻1)的推薦，每一個齒輪組的閃溫是應(yīng)用方程1，對嚙合線上的25個點計算而得來的。 摩擦系數(shù)是由AGMA 925-A03（參考文獻1）給出的公式得來，該公式是通過一個常數(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摩擦系數(shù)的影響情況，已經(jīng)在其中一個齒輪組上進行了研究。他們的摩擦系數(shù)從0.03到0.11隨機變化，相應(yīng)接觸溫度也計算出來。研究結(jié)果

12、表明，摩擦系數(shù)微小的變化可能不會顯著地影響接觸溫度的計算結(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。在計算商用車變速箱齒輪組的接觸溫度時，另外一個對計算不確定的因素就是載荷；例如轉(zhuǎn)矩，速度和功率。以內(nèi)燃機發(fā)動機為驅(qū)動的汽車，會在特定的功率方式下運行，該功率方式為表示發(fā)動機功率特性曲線的方程。在典型的發(fā)動機功率曲線上最大功率點與最大扭矩點并沒有關(guān)系。通常，最大轉(zhuǎn)矩是在發(fā)動機轉(zhuǎn)速較低的點，其值要比功率最大點高。為了找到膠合發(fā)生的臨界載荷條件，沿發(fā)動機

13、功率曲線（圖5）取10個點，并計算各點的最大接觸溫度。最大接觸溫度隨發(fā)動機功率曲線變化，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)動機功率最大點獲得?；谠摻Y(jié)果,所有的計算結(jié)果都是在最大額定功率處計算而不是在最大扭矩處計算。這個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，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,在膠合失效載荷點來計算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算得來的最大接觸溫度，通過對比接觸溫度和膠合溫度，膠合危險情況就可以得知

14、。對比數(shù)據(jù)，有兩種方法可以采納：1）計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通常被認為膠合將有可能發(fā)生；2）依據(jù)AGMA 925-A03(參考文獻1)定義的膠合概率，膠合的危險被評定為：底，中，或高。在這50組齒輪的研究中，在測功機試驗和現(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。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，僅僅會使我們認為膠合會發(fā)生在5號齒輪組，該組的膠合比率大約為0.9。 圖4 摩擦系數(shù)對接觸溫

15、度結(jié)果的影響 圖5 發(fā)動機功率對接觸溫度結(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運動粘度40（mm2/s）135.033.8132.051.040.5運動粘度100（mm2/s）18.27.617.59.17.4FZG試驗*膠合失效載荷階段36976*FZG A10-16.6R120圖8指出運用AGMA 925-A03膠合概率的優(yōu)點。對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（高于30%）。圖6測功機試驗中已膠合的齒輪組編號為5的齒輪組，他的膠合概率約為20%，在AGMA 925-A03(參考文獻1)被歸

16、為中等危險。因此，運用AGMA標準推薦的膠合概率，可以對膠合進行更加清晰的評估。論述AGMA 920A03 標準被用來預(yù)測9個變速箱模型中的50組直齒輪和斜齒輪的膠合危險情形；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) 3類到8類。依據(jù)FZG試驗結(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。評估膠合危險，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)測膠合危險是有效的和一致的，作為驗證，對已膠合齒輪，其結(jié)果與測功機試驗和現(xiàn)場結(jié)果非常吻合，并且對于沒有膠合歷史的齒輪也是適合的。預(yù)測，試驗結(jié)果以及實際運用達成的一致，為商用

17、車變速器齒輪膠合危險建立了信心。致謝。筆者感謝Eaton公司車輛集團對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（*膠合齒輪組）參考文獻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