针对正在开发中的某商用车长寿命重型变速器副箱低挡齿轮台架试验断裂问题，从齿轮材料、金相组织及热处理、机械加工、齿轮强度仿真计算分析、齿轮润滑系统和喷丸工艺等多个方面进行了详细分析和研究，讨论齿轮断裂的原因，最终提出了通过调整齿轮喷丸工艺和参数，即增大齿轮齿面和齿根残余压应力大小的改进措施，改进后的台架通过了试验验证，通过总结该变速 器的齿轮开发经验，可为满足高可靠性、长寿命重型变速器齿轮开发提供设计参考。

　　近年来，随着高速物流、工程建设等领域的快速发展，中国汽车市场对重型商用车车辆的需求量越来越大。相对于乘用车主要关注整车的舒适性、节能及安全性等而言，重型商用车由于复杂的路况 而更关注产品的可靠性。重型变速器作为商用车整车传动系统的一部分，其齿轮 B10 设计寿命由目前 80 万 km 迈向 150 万 km，变速器高强度齿轮寿命的提高不仅可以提高整车使用效率和出勤率，而且可以降低用户使用和维修成本。本文通过对某长寿命重型变速器副箱低挡齿轮台架试验断裂问题的分析与研究，开发高可靠性、长寿命的齿轮，从而满足用户对商用车重型变速器的需求。

　　一、齿轮损伤情况和断裂模式分析

　　1.1 齿轮损伤情况

　　商用车某重型 12 挡变速器为主副箱双中间轴结构，主箱 6 个挡，副箱 2 个挡; 主箱为直齿细高齿，副箱为斜齿细高齿; 变速器最大设计输入扭矩为 2 000N·m，速比范围为 12.341 ～ 0.785。对该变速器总成进行台架耐久试验，在进行第 8 个循环载荷谱( 共 10 个循环) 时，1 挡寿命试验中副箱低挡齿轮对发生折断现象，如图 1 所示。

　　图 1 齿轮断裂照片

　　1.2 断裂模式分析

　　图 2 为主动齿轮的断口形貌。由图 1，2 可知，主动齿轮为单向弯曲疲劳断裂，疲劳源位于齿轮受拉应力齿根处; 从动齿轮为一次性脆性断裂，其断裂发生在主动齿轮折断之后。

　　图 2 主动齿轮断口形貌照片

　　二、齿轮断裂原因分析

　　由于变速器齿轮工况不同，材质各异，环境条件等也有差别，齿轮断裂的诱因往往很复杂，因此从以下几个方面探讨齿轮断裂原因。

　　2.1 齿轮材料和热加工

　　利用金相显微镜和能谱仪等现代分析仪器对低挡损坏主从齿轮进行化学成分化验和热处理检验得知，材料化学成分、金相组织、渗碳层深及硬度分布均满足设计图纸规定的要求，如图 3 和表 1 所 示。材料与热加工方面的可能性被排除。

　　图 3 主从齿轮金相组织( 20 × )

　　表 1 材料化学成分

　　2.2 齿轮机械加工

　　低挡主从齿轮断裂发生后，分析该齿轮对的机械加工质量检测数据，可知“K”形齿的尺寸、齿根单圆弧半径R、齿顶齿端倒角加工尺寸、齿厚、齿形和齿面光洁度等均满足图纸设计要求。由于该 齿轮对采用磨齿工艺加工，易造成齿根磨削台阶， 从而削弱齿轮弯曲强度，如图 4 ( a) 、( b) 所示，但通过高倍放大镜观测到齿根磨削明显无台阶，齿轮齿面与齿根圆过渡处光滑连接，如图 4 ( c) 所示。由此齿轮机械加工方面的失误排除。

　　图 4 齿根磨削台阶

　　2.3 装配和使用

　　变速器在进行台架试验前，检查了齿轮对接触和齿轮啮合间隙、轴承间隙调整等，严控装配后齿轮箱的清洁度，按试验要求加注规定牌号的齿轮润滑油，并按试验大纲要求，对变速器齿轮进行磨合，均未发现异常情况，从而排除了装配和使用不当的问题。

　　2.4 齿轮强度仿真计算分析

　　2.4.1 变速器 3D 仿真分析模型建立

　　为了保证变速器齿轮强度 CAE 仿真分析的准确性，根据该变速器总成齿轮、轴、轴承等部件的详细设计参数，应用 MASTA 软件建立齿轮计算模型，并对变速器壳体进行结构柔性化处理，通过有限元软件 NASTRAN 将壳体的刚度矩阵浓缩到11个轴承孔处，如图 5 所示。

　　图 5 变速器齿轮 3D 仿真分析模型

　　2.4.2 齿轮材料 S - N 曲线

　　根据产品开发经验，在 MASTA 软件材料库中查找与设计齿轮材料性能接近的 S - N 曲线，并经过适当修正得到可作为齿轮弯曲强度设计计算的 S - N 曲线，如图 6 所示。

　　图 6 齿轮 S - N 曲线

　　2.4.3 载荷谱

　　变速器在实际工作中，受到的载荷是变化的，体现为扭矩和转速的变化，同时不同挡位的使用率也不同，三者之间的对应关系就是载荷谱，根据实车采集的路谱数据，并运用统计学原理、齿轮 S - N 曲线和 Miner 疲劳累计计算公式得到 150 万 km 齿轮设计计算载荷谱。

　　2.4.4 齿轮仿真分析结果

　　根据 Miner 线性疲劳累计损伤法则计算不稳定变应力下齿轮疲劳损伤 D 和齿轮安全系数 L:

　　式中: n_i 为某应力水平下的循环次数; N_i 为该应力水平下材料达到破坏的总循环次数; m 为材料指数。

　　1) 齿轮安全系数。

　　一般情况下齿轮弯曲安全系数应大于 1.2，利用 MASTA 软件计算主从齿轮安全系数，结果见表2。

　　表 2 主从齿轮安全系数

　　2) 齿轮损伤率。

　　利用 MASTA 软件，根据 Miner 线性疲劳累计损伤法则计算齿轮破损率，结果见表 3。

　　表 3 主从齿轮破损率

　　表 2 和表 3 的计算结果表明，齿轮弯曲强度满足设计要求。

　　2.5 齿轮润滑系统设计

　　该重型变速器由于采用主副箱结构，变速器总体长度相对较长，为了确保变速器各摩擦副润滑充分，采用了强制润滑和喷淋管辅助润滑系统，有效防止了齿轮等摩擦副由于润滑不充分导致齿轮弯曲强 度和接触疲劳强度降低。润滑系统如图 7 所示。

　　图 7 齿轮润滑系统

　　2.6 齿轮喷丸工艺

　　齿轮强化喷丸处理的主要目的在于齿面和齿根处能够产生较大的残余应力，从而降低齿根危险断面处的拉伸应力幅值，以提高弯曲疲劳寿命，如图 8 所示。

　　图 8 齿轮喷丸压应力机理

　　图 8(a) : 强化喷丸后的齿轮，在以 30°角确定的危险断面 S_p 处，齿根产生残余的压应力 σ_r。

　　图 8(b) : 齿轮受力时，在受力侧的齿根产生拉伸应力 σ_t，在非受力侧的齿根产生压应力 σ_c。

　　图 8(c) : 经过强化喷丸处理的齿轮，受拉一侧 应力为 σ_t - σ_r; 另一侧则为二者所叠加，即 σ_r + σ_c。由于材料的抗压能力远大于抗拉能力，破坏总是发生在拉伸应力的工作面上，强化喷丸提高了齿面疲劳寿命，进而提高了弯曲疲劳寿命。

　　从图 9 可知，主从齿轮次表面残余压应力过低，检测结果不满足图纸规定的齿轮次表面残余压应力最低不小于 960MPa 的要求。从齿轮生产现场了解到，齿轮表面残余压应力是通过抛丸机抛出的丸粒打在齿面上产生的，抛丸速度低，同时抛丸直径太大，分别为0.6mm和0.8mm两种，齿面和齿根处抛丸覆盖率低，导致齿面残余压应力过低。

　　图 9 残余压应力检测结果

　　三、改进措施和试验验证

　　3.1 改进措施

　　通过对以上断裂齿轮抛丸结果进行分析，根据文献中喷丸工艺参数计算公式(3) ，对影响主从齿轮喷丸工艺质量效果的喷丸直径、速度、喷丸角度等工艺参数进行优化。

　　式中: δ 为硬化层的有效层深; k 为比例系数; d 为丸粒直径大小; v 为丸粒喷射速度; α 为喷流与被喷金属表面夹角; H_m 为被处理金属的冲击硬度。

　　调整工艺及参数结果如下:

　　1) 将抛丸工艺改成喷丸工艺;

　　2) 将喷丸直径改成 0.4mm。

　　更改工艺后的样品残余压应力检测结果如图 10 所示。

　　图 10 更改工艺后主从动齿轮残余压应力

　　3.2 试验验证

　　改进工艺后，重新进行了台架试验，该重型变速器顺利完成台架试验要求的 10 个循环载荷谱寿命试验，图 11 为 10 个循环载荷谱寿命试验后主从齿轮拆检照片。

　　图 11 台架试验主从齿轮拆检照片

　　四、结束语

　　本文从齿轮材料、热处理、机械加工、齿轮强度仿真计算、齿轮润滑系统和喷丸工艺等多个方面进行了详细分析和研究，查明齿轮台架断裂是由于齿轮表面喷丸工艺不合理，导致齿轮表面残余压应力过低造成的，经重新调整喷丸工艺和参数，解决了齿轮台架断裂问题，总结出高可靠性、长寿命齿轮的开发经验: 影响变速器齿轮寿命因素很多，因此在变速器产品开发阶段必须系统分析和研究设计、开发中的各个环节，确保产品开发成功; 在设计寿命满足开发要求的条件下，齿轮喷丸工艺可作为提升高可靠性、长寿命齿轮设计手段的有效补充。