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同轴度对变速器油泵齿轮强度影响分析

时间:2023-08-25来源:中国汽车工程学会年会论文集

导语:针对某变速器油泵齿轮在整车试验时发生的断齿问题,本文通过CAE手段从同轴度对油泵齿轮齿根应力的影响进行分析,分析了油泵齿轮齿根应力随同轴度的变化趋势。随着同轴度的变化,齿根应力在某个同轴度时会出现急剧变化的拐点,得出同轴度过大为导致此次断齿问题的根本原因,也建立了对同轴度的分析体系。

  针对某变速器油泵齿轮在整车试验时发生的断齿问题,本文通过CAE手段从同轴度对油泵齿轮齿根应力的影响进行分析,分析了油泵齿轮齿根应力随同轴度的变化趋势。随着同轴度的变化,齿根应力在某个同轴度时会出现急剧变化的拐点,得出同轴度过大为导致此次断齿问题的根本原因,也建立了对同轴度的分析体系。

  变速器油泵的作用主要是为液力变矩器和液压操纵系统提供一定的压力和流量的液压油,并保证各摩擦副的润滑需要。油泵安装在液力变矩器的后方,常见的油泵主要有齿轮泵、转子泵、叶片泵。齿轮泵由于其结构紧凑、自吸能力强、流量波动小、噪声低等特点而应用广泛。

  同轴度作为一种定位公差,用来限制零件形位误差,体现了被测要素的设计要求,也是加工和检验的依据。而对同轴度的标注,仅依靠经验进行,对同轴度的CAE分析几乎没有。

  本文基于某车型变速器油泵齿轮断齿问题,通过 CAE手段从同轴度对油泵齿轮齿根应力的影响进行分析,分析了油泵齿轮齿根应力随同轴度的变化趋势,随着同轴度的变化,齿根应力在某个同轴度时会出现急剧变化的拐点,得出同轴度过大为导致此次断齿问题的根本原因,也建立对同轴度的分析体系。

  一、同轴度理论

  定位公差是关联实际要素对基准在位置上允许的变动全量。定位公差用于控制被测要素的位置,如点、线或面的定位误差,其特点是公差带相对于基准有确定的位置。定位公差可分为同轴度、对称度和位置度。

  同轴度公差用来控制点、轴线的同轴度误差,其特点是被测要素的理想位置与基准同心或同轴(图1、图2)。其公差带为:①直径为公差带且与基准同心的圆内区域;②与基准轴线同轴的,直径为公差值的圆柱面内的区域。

  同轴度公差是用来控制理论上应同轴的被测轴线与基准轴线的不同轴程度。简单理解就是:零件上要求在同一直线上的两根轴线,它们之间发生了多大程度的偏离,两轴的偏离通常是三种情况(基准轴线为理想的直线)的综合——被测轴线弯曲、被测轴线倾斜和被测轴线偏移。

  它有以下三种控制要素:①轴线与轴线;②轴线与公共轴线;③圆心与圆心。因此,影响同轴度的主要因素有被测元素与基准元素的圆心位置和轴线方向,特别是轴线方向。

  同轴度的测量仪器有圆柱仪、三坐标测量机、V型架和带指示表的表架。

  二、油泵齿轮结构及原理介绍

  该油泵主要由油泵体、侧压板、从动齿轮轴、主动齿轮轴、主动齿轮、从动齿轮等组成,如图3所示。

  齿轮泵的主要工作原理为一对相互啮合的齿轮,由于齿轮两端面与泵盖的间隙以及齿轮的齿顶与泵体内表面的间隙很小,因此将齿轮泵的壳体内部分割成左右两个密封容积。当齿轮按图示方向选装时,右侧的齿轮逐渐脱离啮合,露出齿间,其密封容积逐渐增大,形成局部真空。油箱中的油液在大气压力的作用下经泵的吸油口进入这个密封容积——吸油腔。

  随着齿轮的转动,每个齿轮的齿间把油液从右侧带到左侧密封容积中,齿轮在左侧进入啮合时,使左侧密封容积 (压油腔)逐渐减小,把齿间油液挤出,油液从压油口输出,这就是齿轮泵的吸油和压油过程。当齿轮泵不断地旋转时,齿轮泵的吸、压油口不断地吸油和压油。

  三、油泵齿轮断裂问题

  某变速器油泵齿轮,在进行整车试验挪动车辆时,出现车辆无法行驶的状况。经检测,液压系统无主压,电子油泵请求转速,反馈为0r/min,油泵无法运转,低压油泵端面无异常磨损,无烧结。取出外转子,内转子无法运转,拆解高压油泵,发现高压油泵侧出现故障:油泵从动齿轮三处贯穿断裂,如图5所示。

  四、同轴度分析边界条件

  同轴度分析边界条件包括:有限元模型介绍、材料属性、约束边界及加载载荷。

  有限元模型介绍

  有限元模型(FE模型)包括:油泵体、侧压板、从动齿轮轴、主动齿轮轴、主动齿轮、从动齿轮等,如图6 所示。

  FE模型的网格油泵体及侧压板以二阶四面体网格为主,单元类型选择C3D10M;重点关注主从动齿轮轴及主从动齿轮,建议采用六面体网格,单元类型选择C3D8I。所有相邻部件之间定义接触关系,即Contact Surface接触对,从动齿轮轴左侧与泵体接触类型为Tied。接触对间的摩擦系数一般采用0.15,有润滑油润滑的接触区摩擦系数为0.01。

  材料属性

  油泵体、侧压板、从动齿轮及齿轮轴、主动齿轮及齿轮轴材料属性根据实际的材料参数进行定义,具体参数见表1和表2。

  约束边界

  约束油泵体螺栓孔自由度DOF123456,约束油泵体与侧压板平面轴向平动自由度DOF1。

  加载载荷

  加载载荷工况为:主动齿轮端面施加极限转矩,极限转矩大小根据规格不同而异,具体转矩数值由设计人员提供,从动齿轮轴与侧压板配合处以强迫位移方式施加不同同轴度数值。

  五、分析结果

  强度分析结果

  同轴度为0μm时,从动齿齿根最大mises应力为 5.13MPa,主动齿齿根最大mises应力为128.49MPa。

  同轴度为15μm时,从动齿齿根最大mises应力为 5.31MPa,主动齿齿根最大mises应力为121.13MPa。

  同轴度为50μm时,从动齿齿根最大mises应力为144.50MPa,主动齿齿根最大mises应力为133.87MPa。

  同轴度为80μm时,从动齿齿根最大mises应力为 290.76MPa,主动齿齿根最大mises应力为143.46MPa。

  同轴度对强度的影响趋势分析

  随着同轴度的增加,从动齿的齿根应力整体成增大势 (0~40μm),同轴度增加幅度为50~80μm;随着同轴度的增加,主动齿的齿根应力变化幅度较小。

  对于从动轴的从动齿轮,当同轴度为50μm时,从动齿齿根最大mises应力为144.50MPa。由于粉末冶金材料屈服强度为170MPa,为保证齿轮可靠性,建议将同轴度控制在50μm以下或者更换屈服强度更高的钢材。

  六、试验验证

  通过分析发现,随着同轴度的增加,从动齿齿根应力变大,尤其是后期应力变化趋势明显增大。根据图15所示的实测值,此次出现断齿的同轴度甚至达到80μm,这也是造成从动齿断齿的根本原因。

  齿轮的同轴度无法在装配过程中实时控制,只能间接通过控制零部件尺寸来进行控制。具体的措施为加强零部件的全尺寸检测,针对不合格尺寸的评审,通过零部件的实物评审等措施完善供应商质量控制体系。

  七、结论

  1)以往对同轴度的认识仅限于尺寸公差的标注以及测量,对同轴度的分析几乎没有。

  2)同轴度过大会导致油泵齿轮出现断齿的问题,需加强重视。

  3)本文通过CAE手段从同轴度对油泵齿轮齿根应力的影响进行分析,介绍了油泵齿轮齿根应力随同轴度的变化趋势。随着同轴度的变化,齿根应力在某个同轴度时会出现急剧变化的拐点,因此为了保证结构的可靠性,需把同轴度严格控制在屈服点对应的某一同轴度以下。

  4)本文方法可减少试验次数,降低质量问题风险。

标签: 变速器

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