商用车变速器中直齿轮和斜齿轮使用过程胶合风险的预测

1、商用车变速器中直齿轮和斜齿轮使用过程胶合危险预测Carlo H.WinkAGMA925-A03(参考文献1)对变速箱中一系列直齿和斜齿轮胶合危险预测理论被应用在商用车上，其范围从SAE(美国汽车工程师协会)3类到8类。引言由于对汽车传动系统高能效需求的不断增长，就要求柴油发动机在较低速度下运行，要求传动系统功率密度更高，要求改良系统润滑油以提高效率，并要求采用新技术以提高系统的兼容性。在这种形势之下，商用车变速器轮齿胶合的风险得到了越来越多的重视。因此，在设计阶段，胶合危险预测对商用车传动系统的成功设计是至关重要的。AGMA925-A03(参考文献1)是一个预测齿轮胶合概率比较全面的方法。本文

2、介绍了AGMA925-A03(参考文献1) 对50组直齿轮和斜齿轮胶合危险预测理论，其中这些齿轮被应用在SAE规定的 3类到8类商用车上的成套变速器中。使用两种特定的矿物和三种合成齿轮润滑剂来限制胶合温度是由FZG（齿轮疲劳试验机）胶合试验决定的。依据AGMA925-A03(参考文献1)，胶合危险取决于不同的齿轮组。预测的结果要与相关领域数据，质保数据以及测力机试验结果进行对比。预测在所有的情形下都是正确的。对于已产生胶合的齿轮，被预测有高胶合危险，对于其他齿轮没有胶合经历的情形，被预测有低胶合危险。此文献涉及关于预测，试验结果和实际应用之间的关系，会逐步增加对商用车变速器中齿轮胶合危险预测的

3、信心。背景胶合失效引起轮齿局部损伤，最终导致接触表面粗糙的同时也使轮齿形状发生改变。这种类型的损伤一般发生在接触压力和滑动速度比较高，并且远离节线的轮齿接触区域内。这种轮齿的损伤会增加震动和噪声，降低齿轮的承载能力，最终导致严重的故障（参考文献2）。作为一种严重的粘着磨损现象，当位于轮齿接触表面的润滑油膜厚度不足，难以阻止金属与金属的直接接触时，接触区域会发生局部熔融，随之会产生金属表层撕裂，最终导致胶合的发生。金属颗粒在两个接触表面上被转移或者脱落；它们在滑动方向上会刮伤齿面。胶合并不是一种疲劳现象，因为它可能在啮合的开始阶段就会发生（参考文献3-4）。现有几种预测胶合危险的分析方法；然而，

4、决定一个齿轮设备是否会发生胶合的临界值仍然主要依赖于经验。AGMA925-A03(参考文献1)的胶合危险评估的方法是一个函数，这个函数涉及到润滑油的粘度和添加剂；齿轮啮合时的平均温度；滑动速度；轮齿的表面粗糙度；齿轮材料和热处理方式；以及表面压力。胶合危险的确定是通过比较计算出的齿面接触温度和极限胶合温度得出的；这种方法的实施，要通过对每一种齿轮润滑剂进行齿轮胶合试验。接触温度计算轮齿啮合区域的闪温通过BLOK方程1求得。 （1）其中： fl(i)为齿面啮合点闪温，；K 值0.8，为在带状区域，瞬时接触时摩擦热赫兹分布因子；m(i) 为摩擦系数；X(i) 为载荷分配系数；wn 为正常单位载荷，

5、N/mm；vr1(i) , vr2(i)分别为小齿轮和大齿轮相应的旋转切向速度，m/s；BM1, BM2钢的热接触系数，值为13.6N/(mm²K)； bHi为赫兹接触带的半宽度，mm；i为下标，表示啮合线上某一点在啮合线上任意一点的接触温度可由方程2求得。 B(i)=M+fl(i) （2）其中： B(i)为接触温度，；M为轮齿温度，表示轮齿表面进入啮合区之前的温度。轮齿温度可以通过计算，测量或者依据经验得出。通过计算的方法得到轮齿温度，由计算方程3估算而得。M=Ksumpoil+0.56fl max (3)其中： Ksump若系统润滑为飞溅润滑时取1；系统为喷雾润滑时取1.5； o

6、il为供油温度或者油槽温度，； fl max为啮合线上任意一点i方程1的最大闪温。最大接触温度有方程4得到。 B max=M+fl max (4)其中： B max为最大接触温度，当最大接触温度接近或者高于胶合临界温度时，胶合将有可能发生。临界胶合温度胶合临界温度是指，在给定的润滑剂和齿轮材料的综合情形下，轮齿可能发生胶合之时的接触温度（参考文献1）。胶合临界温度可以通过齿轮胶合试验获得，比如FZG试验，该试验是全世界广泛应用的评估不同润滑剂抗胶合能力的工业标准试验。依照于CEC L-84-02(参考文献6)的FZG试验设计是由欧洲协作委员会（CEC）设计的，该试验在欧洲乃至整个世界被广泛应用

7、于汽车和石油工业。FZG齿轮试验台在恒定速度下运行一固定时间段，期间载荷会不断增加直到轮齿达到失效标准。然后，检查试验齿轮在规定的持续时间段及每不同载荷作用时，试验前后齿面胶合损坏情况。当试验齿轮所有齿的胶合区域宽度的总和超过齿轮端面宽度时，齿轮失效。2004年，Eaton公司旗下的车辆集团施行了一个范围广阔的项目，是为了调查变速器齿轮胶合试验方法的工业标准，以及它们与测功机上的胶合试验（采用不同润滑剂的胶合试验）结果之间的关联。这项调查的动机源于Eaton公司的变速器要采用更长的换油周期，以及采用新型的润滑剂。在这些情况下，前ASTM D5182-9（参考文献3）阐述的胶合方法与已知胶合的发

8、生情形没有关联。由CEC L-84-02（参考文献6）定义的FZG方法，被命名为A10/16.6R/120,它和测功试验取得的结果保持了一致性。Eaton公司自此便采用这种测试方法作为齿轮润滑剂质量评定和审批的部分内部程序。A10/16.6R/120代表A型齿轮的几何参数，其中节线速率为16.6m/s，油槽温度为120。A型齿轮被设计成具有较高的齿顶高，以产生高的滑动速度，并且仅仅制造有10mm的齿面宽度，这是为了增加接触应力，以使得相比20mm齿面宽的轮齿胶合更容易发生。10mm齿宽的试验也被称为“半齿，双速试验。”图1所示为FZG试验后的A型齿轮。图1 FZG 试验后的A型齿轮胶合风险预测

9、当最大接触温度接近或者高于由润滑剂与齿轮材料共同决定的极限接触温度之时，胶合将有可能会发生。胶合发生的概率可以通过比较接触温度与极限接触温度的大小来预测。AGMA925-A03中胶合发生的概率是由一个关于胶合温度的高斯分布得到的，假设该高斯分布的变异系数为0.15。接触温度是自由变量， 表一 依据AGMA925-A03的胶合危险胶合发生的概率胶合风险<10%底10%到30%中等>30%高极限胶合温度为该自由变量的平均值，假设自由变量的标准偏差是胶合温度的0.15倍。于是，AGMA925-A03（参考文献1），依据计算的概率（表1）提出了一个评估胶合危险的标准。应用实例在这项研究中，

10、运用AGMA925-A03（参考文献1）胶合危险评估方法对50个齿轮组进行了评估。24个直齿轮组和26个斜齿轮组参与了评估，其中斜齿轮的压力角介于12-33°。这些齿轮被应用在9中不同类型的商用车变速箱中，这些车有18种前进速度，传递转矩容量介于402Nm-2500Nm.车型包括轻型皮卡，货车，公共汽车，和专用重载卡车。图2和图3给出了齿轮装置的基本几何参数和操作参数，比如，模数，压力角，重合度，接线速度，滑动速度。所有的齿轮都经过表面硬化，表面硬度值为58-63HRc。加工这些齿轮装置时，采用了获取相应齿面光洁度的加工工艺1）剃齿：表面粗糙度Ra=1.25mm;2)珩齿：Ra=0.

11、40mm，3）CBN磨削：Ra=0.63mm。 图2被研究齿轮的特性 图3 齿轮的滑动速度与端面重合度依照AGMA 925-A03(参考文献1)的推荐，每一个齿轮组的闪温是应用方程1，对啮合线上的25个点计算而得来的。 摩擦系数是由AGMA 925-A03（参考文献1）给出的公式得来，该公式是通过一个常数得到摩擦系数的近似值。摩擦系数是依据小齿轮和大齿轮的平均表面粗糙度计算得来的，并假定沿啮合线恒定不变。最大摩擦系数值被限定在0.11.由分析模型预测的最大接触温度对摩擦系数的影响情况，已经在其中一个齿轮组上进行了研究。他们的摩擦系数从0.03到0.11随机变化，相应接触温度也计算出来。研究结果

12、表明，摩擦系数微小的变化可能不会显著地影响接触温度的计算结果。例如，值为0.1的摩擦系数发生10%的变化，最大接触温度仅仅变化约6%（图4）。但是，也有一些因素会显著改变摩擦系数的值例如，改变表面加工工艺和获得更光滑的表面可以显著地影响最大接触温度。在计算商用车变速箱齿轮组的接触温度时，另外一个对计算不确定的因素就是载荷；例如转矩，速度和功率。以内燃机发动机为驱动的汽车，会在特定的功率方式下运行，该功率方式为表示发动机功率特性曲线的方程。在典型的发动机功率曲线上最大功率点与最大扭矩点并没有关系。通常，最大转矩是在发动机转速较低的点，其值要比功率最大点高。为了找到胶合发生的临界载荷条件，沿发动机

13、功率曲线（图5）取10个点，并计算各点的最大接触温度。最大接触温度随发动机功率曲线变化，即随着功率的增大,接触温度也增大。接触温度的最大值在发动机功率最大点获得。基于该结果,所有的计算结果都是在最大额定功率处计算而不是在最大扭矩处计算。这个研究中用了五种不同的齿轮润滑剂两种矿物油和三种合成润滑油。表2显示了胶合发生时，齿轮润滑剂及其荷载状况的基本特征。 然后使用AGMA 925-A03的方法,在胶合失效载荷点来计算FZGA型齿轮(A10/16.6R120)的极限变形温度,并将结果制成表格。图表2中有了五组齿轮的胶合温度和计算得来的最大接触温度，通过对比接触温度和胶合温度，胶合危险情况就可以得知

14、。对比数据，有两种方法可以采纳：1）计算出接触温度和胶合发生温度的比值，该值被命名为“胶合比率”；比率高于1通常被认为胶合将有可能发生；2）依据AGMA 925-A03(参考文献1)定义的胶合概率，胶合的危险被评定为：底，中，或高。在这50组齿轮的研究中，在测功机试验和现场有4组有胶合失效。图7和图8所示分别表示50个齿轮组的胶合比率和胶合概率。在图7和图8中，发生胶合的四组齿轮被表示成红色并且在结果前边带有星号。在已知发生胶合失效的四组齿轮中，胶合比率被预测为接近和高于1（图7）。但是，查看胶合比率，仅仅会使我们认为胶合会发生在5号齿轮组，该组的胶合比率大约为0.9。 图4 摩擦系数对接触温

15、度结果的影响 图5 发动机功率对接触温度结果的影响表2 齿轮润滑剂齿轮润滑剂12345油基合成矿物合成矿物合成粘度指数（ASTM）151194146164150运动粘度40（mm2/s）135.033.8132.051.040.5运动粘度100（mm2/s）18.27.617.59.17.4FZG试验*胶合失效载荷阶段36976*FZG A10-16.6R120图8指出运用AGMA 925-A03胶合概率的优点。对观测到胶合的四组齿轮，结果清晰的显示有高的胶合危险（高于30%）。图6测功机试验中已胶合的齿轮组编号为5的齿轮组，他的胶合概率约为20%，在AGMA 925-A03(参考文献1)被归

16、为中等危险。因此，运用AGMA标准推荐的胶合概率，可以对胶合进行更加清晰的评估。论述AGMA 920A03 标准被用来预测9个变速箱模型中的50组直齿轮和斜齿轮的胶合危险情形；这些变速箱被应用在商用车上，范围从SAE(美国汽车工程师协会) 3类到8类。依据FZG试验结果，两类矿物润滑剂和三类合成齿轮润滑剂的胶合温度已经得到。评估胶合危险，要以AGMA 925-A03给出的胶合概率为基础。结果表明：AGMA 925-A03在预测胶合危险是有效的和一致的，作为验证，对已胶合齿轮，其结果与测功机试验和现场结果非常吻合，并且对于没有胶合历史的齿轮也是适合的。预测，试验结果以及实际运用达成的一致，为商用

17、车变速器齿轮胶合危险建立了信心。致谢。笔者感谢Eaton公司车辆集团对本论文完成提供的帮助。胶合概率（%）齿轮组别 图7 胶合比率结果（已胶合齿轮组） 图8 胶合概率：>30%=高危险（*胶合齿轮组）参考文献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