在法規(guī)認(rèn)證試驗(yàn)中，基于計(jì)算或測(cè)量的載荷譜的變速器試驗(yàn)是評(píng)價(jià)齒輪軸和同步器性能是否合格的重要試驗(yàn)。同步器在換擋過(guò)程中承擔(dān)傳遞扭矩，消除轉(zhuǎn)速差的作用，是變速器最關(guān)鍵的零部件之一。針對(duì)某型號(hào)變速箱齒轂在試驗(yàn)過(guò)程中斷裂失效現(xiàn)象，借助CAE分析仿真軟件，從齒轂齒套的角度闡述，為失效的原因分析和方案優(yōu)化提供了依據(jù)。結(jié)果表明，通過(guò)優(yōu)化齒轂材料和減薄齒轂齒面2種方案均可滿(mǎn)足變速器齒轂的各項(xiàng)性能，實(shí)現(xiàn)順利掛擋和傳遞扭矩。


      在汽車(chē)變速器中，齒轂是同步器的主要零件， 使轉(zhuǎn)速不等的齒輪在實(shí)現(xiàn)同步之后再相互嚙合。換 擋時(shí)減少了結(jié)合齒輪花鍵的沖擊，提高了零件的使用壽命，能夠順利將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力平穩(wěn)地傳遞給汽車(chē)車(chē)輪，保證換擋的平順性。Hyperworks是一個(gè)創(chuàng)新的CAE軟件，具有高性能的有限元建模和后處理功能。本文基于Hyperworks仿真軟件，對(duì)法規(guī)認(rèn)證試驗(yàn)中同步器齒轂、齒套和軸的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了變速器整車(chē)耐久工作過(guò)程的模擬仿真，準(zhǔn)確地反映了齒套和齒轂試驗(yàn)工況下受力情況。將實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)和理想狀態(tài)數(shù)據(jù)下的情況進(jìn)行對(duì)比分析，為試驗(yàn)失效問(wèn)題的快速解決及零件的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論支持，節(jié)省了成本，減少了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，提高了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

      同步器齒轂零件的材料為粉末冶金 SIRON P725， 采用壓制和燒結(jié)工藝成型。在壓制過(guò)程中將粉末放入相應(yīng)的模具進(jìn)行塑形，并通過(guò)壓力機(jī)成型。經(jīng)過(guò)高溫，保壓和冷卻等燒結(jié)工藝處理，保證了齒轂的使用強(qiáng)度。在變速器的整車(chē)耐久試驗(yàn)中，試驗(yàn)出現(xiàn)異常，將4/R檔同步器拆解后，發(fā)現(xiàn)齒轂斷裂一小塊碎片，如圖1所示。

      材料性能：據(jù)相關(guān)要求，齒轂零件的表面硬度要求最小為280 HV5，芯部硬度要求最小為200 HV5，密度必須大于等于7.0g/cm3 。對(duì)失效齒轂零件進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)的表面硬度296 HV5，芯部硬度210 HV5，密度7.1g/cm3 ， 均在設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)，表明硬度和密度均符合要求。對(duì)斷裂碎片和齒轂上進(jìn)行電鏡掃描分析，如圖2所示，在裂紋的初始位置和裂紋擴(kuò)展方向，可以發(fā)現(xiàn)裂紋上有燒結(jié)頸，由此判斷齒轂零件本身并不存在原始裂紋。


      齒套齒轂結(jié)構(gòu)分析：齒轂外花鍵的配合結(jié)構(gòu)是齒套內(nèi)花鍵，斷裂的部位剛好是齒轂齒套配合的一個(gè)齒面，因此分析二者斷裂齒面部位的周向累計(jì)誤差，齒套內(nèi)花鍵的周累圖，如圖3所示。

      由圖3可知，1#齒的單個(gè)累計(jì)誤差最大，該齒面是與齒轂斷裂齒面相配合的齒面。

      同批次齒轂外花鍵的周累圖如圖4所示。       由圖4可知，8#齒的單個(gè)累計(jì)誤差最大，該齒面是齒轂斷裂的齒面。從齒轂齒套均在斷裂處齒面最大上看出，在斷裂部位齒轂齒套存在干涉，在配合的兩個(gè)齒面上均存在凸起，因此初步判斷這可能是導(dǎo)致該齒轂的齒斷裂直接原因。

      CAE斷裂分析模擬：在齒套和齒轂已有單向累計(jì)誤差0.042和0.01的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Hyperworks軟件模擬三種情況。第一類(lèi)情況：使用齒套單向累計(jì)誤差0.042，齒轂正常的模型;第二類(lèi)情況：使用齒轂和齒套都正常的模型;第三類(lèi)情況：使用齒套單向累計(jì)誤差0.042和齒轂單向累計(jì)誤差0.01的模型。從CAE模擬的結(jié)果看，如圖5所示，第二類(lèi)情況的損傷值最低，只有0.00022，第一類(lèi)情況損傷值0.149，第三類(lèi)情況的損傷值是7.625，最差的情況是第三類(lèi)情況，而我們耐久試驗(yàn)是第三類(lèi)情況，這與試驗(yàn)中齒轂斷裂的情況是吻合的。

      為避免再次出現(xiàn)耐久試驗(yàn)齒轂斷裂的情況，需要對(duì)齒轂進(jìn)行優(yōu)化。考慮到齒轂斷裂齒面處0.01的周節(jié)誤差值，齒轂的損傷值也從0.149增加至7.625，因此提出以下的優(yōu)化方案。

      優(yōu)化方案1：更改齒轂的材料，由低抗拉的材料改為高抗拉的材料，如表1所示。原材料SIRON P725的屈服強(qiáng)度595 MPa，抗拉強(qiáng)度725 MPa，改進(jìn)后新材料SE4316的屈服強(qiáng)度690 MPa，抗拉強(qiáng)度930 MPa，更改后無(wú)論是屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都有所提高，降低了齒轂斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。

      優(yōu)化方案2：將齒轂斷裂的齒面進(jìn)行減薄，因?yàn)榕c之配合的齒套齒面單個(gè)周向累計(jì)誤差是0.041，如圖6所示。因此推薦齒轂齒面減薄0.04。

      為了驗(yàn)證減薄的齒轂齒面是否有效，將齒轂齒套有累計(jì)誤差但是齒轂沒(méi)有齒面減薄，齒轂齒套有累計(jì)誤差也有齒面減薄，齒轂齒套沒(méi)有累計(jì)誤差有齒面減薄這三種狀態(tài)進(jìn)行CAE分析，如圖7所示。

      由圖7可知，第1種狀態(tài)最大應(yīng)力632 MPa，損傷值6.4×10-5，第2種狀態(tài)最大應(yīng)力268 MPa，損傷值 2.44×10-7傷，第3種狀態(tài)最大應(yīng)力111 MPa，損傷值5.9×10-10，從第1種和第2種狀態(tài)相比，齒轂齒面減薄能大大降低最大應(yīng)力和損傷值，以避免齒轂齒套配合時(shí)的干涉，降低齒轂斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，增加配合的穩(wěn)健性。

      驗(yàn)證設(shè)備：E-dyno，整車(chē)主要采用雙離合變速器，外部冷卻系統(tǒng)是風(fēng)冷，飛輪采用雙質(zhì)量飛輪。驗(yàn)證對(duì)象：優(yōu)化后齒轂(使用了新材料和減薄了齒面)裝配的變速器。驗(yàn)證步驟：輸入耐久試驗(yàn)載荷譜，標(biāo)定電機(jī)，最大電機(jī)轉(zhuǎn)速不超過(guò)6500r/min，目標(biāo)檔位按照換擋策略4-R-4進(jìn)行。試驗(yàn)前檢測(cè)軸向間隙，徑向間隙，同步器后背量等參數(shù)。試驗(yàn)過(guò)程中觀測(cè)油溫，載荷，有效扭矩和循環(huán)曲線等。驗(yàn)證結(jié)論：已順利完成兩臺(tái)變速器整車(chē)耐久試驗(yàn)150%，一臺(tái)完成了8X105km試驗(yàn)，另一臺(tái)完成了10X106km試驗(yàn)，目標(biāo)檔位4/R檔均完成了驗(yàn)證，試驗(yàn)后的齒轂齒套零件檢測(cè)合格，外觀正常，并未出現(xiàn)齒轂斷裂現(xiàn)象，也滿(mǎn)足法規(guī)要求。在完成臺(tái)架試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，重新裝車(chē)優(yōu)化后的齒轂到100臺(tái)變速器中，在整車(chē)的實(shí)際運(yùn)行中表現(xiàn)良好，說(shuō)明變速器齒轂的優(yōu)化措施有效。

      (1)在變速器耐久試驗(yàn)齒轂斷裂的問(wèn)題上，我們從材料性能、結(jié)構(gòu)方面和CAE軟件綜合分析了原因，找到齒轂齒套配合齒面上有凸起這一根本原因，為后續(xù)的問(wèn)題解決提供了方向;

      (2)針對(duì)齒轂斷裂的根本原因，本文采用優(yōu)化齒轂材料和減薄齒轂齒面這2種優(yōu)化方案，以期在以后的試驗(yàn)中齒轂不斷裂，試驗(yàn)不失效，滿(mǎn)足齒轂齒套的各項(xiàng)性能要求;

      (3)對(duì)于配合的齒套齒面雖然不做優(yōu)化，但仍需在加工過(guò)程中控制齒套的齒面周累，更加穩(wěn)定地避免試驗(yàn)失效的問(wèn)題發(fā)生，以達(dá)到設(shè)計(jì)的穩(wěn)健性;

      (4)對(duì)優(yōu)化的新齒轂進(jìn)行裝箱試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均通過(guò)，整車(chē)實(shí)際路況表現(xiàn)良好。

      參考文獻(xiàn)略。