陈俊岩，胡佑斌，秦正健，曹德斌

某重型变速箱异响故障分析与研究

陈俊岩，胡佑斌，秦正健，曹德斌

（中国重型汽车集团有限公司，山东 济南 255000）

重型变速箱在商用车的传动系统中占重要地位，其好坏能直接影响到驾驶的舒适性和操纵性。为适应商用车大功率发动机的发展趋势及匹配需要，文章通过分析某重型变速器齿轮传动的结构与特点，最后归纳了变速箱的常见故障及原因分析，提出了在变速器设计中的主轴浮动及润滑措施，为变速箱异响故障诊断、变速箱设计提供依据和参考。

重型变速箱；齿轮传动；故障诊断；异响分析

重型汽车传动系中，发动机输出的动力通过离合器传递给变速器，变速器将其改变为合适的速比后经过传动轴、主减速器、差速器、半轴传递到车辆的驱动轮，在这一过程中其速比变化主要依赖于齿轮传动实现[1]。由于重型车辆工作条件恶劣，变速器载荷大、挡位多，因而其故障频率较高，给厂商和消费者带来损失。为了减少变速器故障的出现，对故障快速定位，本文通过分析某重型变速器齿轮传动的结构与特点，对该变速箱总成异响故障进行分析与研究。

1 变速器结构与特点

重型变速器为闭式齿轮传动，其主箱结构有单中间轴和双中间轴，如中间轴结构，重汽HW变速器常见的结构为双中间轴结构。变速器后副箱的结构有双ZF系列常见的结构为单中间轴结构和行星结构传动，如ZF及重汽HW系列常见的结构为行星传动结构，解放系列变速器常见的结构为双中间轴结构。

本文分析的变速箱总成由双中间轴+行星轮系构成，如图1所示。双中间轴结构设计中，主轴齿轮靠中间轴齿轮定位，其振动量比定轴轮系要大。因此，正常运转过程中噪音也相应大一些，如果噪音过大，出现轰鸣声、尖叫声等，则其运动件可能出现失效，如齿轮、轴承。

图1 双中间轴+行星轮系

2 失效形式及原因分析

2.1 噪声发生机理

重型变速器的动力传递主要是通过轮齿共轭齿面连续的相互作用实现的[2-3]。重型变速器中噪声的主要来源有：齿轮系统本身齿轮啮合的动态激励、变速器本体的振动、负载变化等[4-5]。因此，当发生变形和误差导致非理想状态的齿轮啮合是变速器异响的主要原因，外部原因可能由于发动机、离合器或传动轴的振动传递到变速器的输入轴或输出轴上，使变速器产生谐振，使噪声进一步被放大，噪声发生机理如图2所示。

图2 噪声发生机理

2.2 齿轮受力分析

受力情况分析：直齿齿轮轮受力只在两齿轮啮合时会产生力的作用，啮合齿的受力情况如图3所示，n的方向为啮合点的法线方向。

式中，t为圆周力；n为法向力；r为径向力；1为齿轮传递的转矩；1为分度圆直径；为啮合角。

图3 外啮合平面受力图

2.3 失效形式及故障研究

2.3.1齿轮失效

变速器齿轮系统中零部件结构及相互连接关系是一个复杂的弹性机械系统，齿轮的主要失效形式为点蚀、磨损、折断、胶合[6]。

齿面点蚀：变速器作为闭式传动系统，齿面接触应力是交变的，在接触应力反复作用后，齿面会产生微小裂纹，同时在齿轮的不断挤压下润滑油压上升导致裂纹增大，齿面金属脱落或形成小麻坑，根据章节2.2中对齿轮啮合受力情况的分析，这一现象主要出现在靠近节线的齿根面处。

齿面磨损：齿面间有硬屑进入，啮合时在径向力为r产生相对滑动摩擦造成磨损，导致齿形变瘦。

齿面胶合：低速重载时润滑油膜破裂，在摩擦力作用下产生局部高温进而出现冷焊粘着，齿轮继续转动导致粘焊处撕裂，形成沟痕，如图4所示。

图4 齿轮失效

轮齿折断：折断可分为疲劳折断和过载折断两种。疲劳折断可以根据折断面痕迹来观察，其分为静力破坏和疲劳破坏，即在折断区域会呈现光滑区和粗糙区两种痕迹。

根据齿轮的失效形式可以确定齿轮的计算准则，对变速器进行设计时考虑失效形式为接触疲劳磨损、弯曲疲劳折断和胶合，因此，必须进行接触疲劳强度和弯曲疲劳强度设计。

直齿圆柱齿轮的弯曲疲劳强度必须满足：

设计计算式为

（3）

齿面接触疲劳强度必须满足：

设计计算式为

2.3.2轴、轴承失效

引起变速器异响除齿轮本身失效之外，还有轴及轴承，双中间轴结构中，轴主要作为传动轴使用，既传递扭矩又要承受来自齿轮的径向力。因此，在低速重载时副轴产生的扭曲变形、弯曲变形过大都会影响双副轴的齿轮啮合，产生尖叫和轰鸣声，副轴结构如图5所示。

图5 副轴结构

轴承主要作用为对齿轮轴的径向或轴向定位，承受来自齿轮轴的径向力和轴向力，如图5中副轴依靠左右两个滚子轴承进行定位。正常情况下，轴承的主要失效形式为点蚀、滚子和滚道磨损、轴承的保持架散架、滚子破裂等。滚子所受力为法向力和摩擦力，法向力造成滚子和滚道的点蚀，所受的切向摩擦力造成滚子和滚道的磨损。

点蚀的产生会使变速器总成在高速运转时产生尖叫声。磨损的出现会造成相啮合齿轮的中心距增大，使负荷作用在齿顶上，产生咔嚓声，这种情况还可能引起轮齿的折断。整个过程贯穿于变速器的使用寿命周期，持续时间长。较大的轴承点蚀在低速时可能表现为轻微的敲击声，在高速时产生尖叫。低速重载时也会引起滚子或滚道变形、保持架断裂，造成轴承的早期损坏，产生轰鸣声，轴与轴承的失效形式如图6所示。

图6 轴与轴承失效形式

2.4 故障判断与研究

2.4.1噪音、振动和声振粗糙度分析

通过信号分析仪对变速箱建立机械振动参考基准，通过比较当前的测试的产品与参考基准将产生的偏差模式，判断被试产品是否有缺陷。

针对齿轮异响分析主要使用阶次分析（Order Analysis, OA）方法，齿轮副啮合阶次的振动超过一定限值时，辐射出啸叫声。

齿轮啮合的阶次计算为

式中，为齿轮副啮合阶次；为主动齿轮齿数；1为齿轮转速；2为参考轴转速。

首先采集变速箱运行中的时域信号，根据时域信号可以观察幅值、相位，但无法得到频谱信号。因此，对该信号进行快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform, FFT）运算，得到谱线信号，根据谱线信号在各阶次的振幅，可以得出变速箱有无异响。如图7所示，图7(a)中虚线代表上偏差，图7(b)实线为测试后得到的谱线，比较谱线信号在各阶次的振幅是否超过上偏差，可以得出变速箱有无异响。

图7 谱线

2.4.2故障判断

各种失效形式的过程都会贯穿于变速器的使用寿命周期，持续时间很长，在这一过程中变速器会产生异响，本文经过长时间实验分析，根据异响的声级和频率将其归类为敲击声、尖叫声、轰鸣声、咔嚓声，如表1所示。此外，将异响的频率与变速器的输入转速作比较，频率低于输入转速时有咔嚓声，接近输入轴转速的有敲击声、轰鸣声，大于输入轴转速时有尖叫声。

根据2.3.1中齿轮的受力分析，可以对齿轮的失效过程进行判断，如图8所示。

表1 故障判断与研究

异响类型故障类型判断 敲击声由齿面磕碰造成的，可由齿面强力压研后出现的亮点来鉴别。当齿轮承受载荷时，这种噪声就更显著，因此，当挂上某一挡就产生噪声时，说明这一挡的齿轮有问题，这种磕碰可用油石或手砂轮磨平 尖叫声由齿轮的不正常啮合造成的，主要原因为齿面点蚀或轮齿变形、轴承点蚀等 轰鸣声对齿不正确、副轴齿轮在副轴上转动、齿轮严重变形、轮齿折断或其他零件严重损坏 咔嚓声由轴承或齿轮间的啮合间隙过大造成，当扭矩变换方向时会产生咔嚓声。副轴轴承的径向间隙过大，会引起轴的中心距增大使负荷作用在齿顶上，这种情况会引起轮齿的折断

根据2.3.2中轴承的受力分析，可以对轴承的失效过程进行判断，如图9所示。

图9 轴承正常失效过程

2.4.3设计改进

为提高变速箱使用可靠性，防止异响发生，可以在变速箱设计之初就针对可能出现的失效形式进行设计改进。

重型变速箱的主箱双中间轴结构设计，可以实现功率分流，主轴齿轮承受两个中间轴齿轮径向力大小相等，方向相反的力，使主轴只承受扭矩，不承受弯矩，消除了主轴变形引起的齿轮啮合区的破坏，可以有效降低齿轮啮合的噪音。主轴齿轮在设计中，可以使齿轮在主轴呈现径向浮动状态，可以更好地满足正确啮合并使载荷尽可能地平均分配，主轴齿轮浮动设计如图10所示。

图10 主轴齿轮浮动

齿轮啮合过程为线性接触，承受力比较大，容易产生齿面变形和升温、以及轴的扭曲或变歪现象。因此，在变速箱设计中必须选取合适的润滑方式，如图11所示，可以使用强制润滑和齿轮飞溅润滑相结合的润滑方式，利用油泵将润滑油强制输送到各关键元件，使轴承及齿轮得到润滑冷却。

图11 润滑油路

2.4.4工艺改进

异响故障的发生，除了设计原因以及使用过程导致的失效，其工艺、质量方面也占有很大原因，如装配偏心，装调不到位，加工工艺精度不高等。

针对某变速箱公司近期试车过程的数据进行统计分析，试车异响故障率百万分之一（Parts Per Million, PPM）值为7 000，对异响变速箱进行拆解确认，故障类型如表2所示。

表2 故障拆解

故障类型数量/个占比/% 磕碰伤6258.49 尺寸超差1413.21 装调不到位2220.75 其他87.55

因此，针对异响问题，质量方面可以从产品供方到货、物流、装配等全过程进行现场调查分析改进，同时开展专项稽查和审核，优化产品尺寸检测方式；工艺方面可以通过程流程图、过程失效模式及后果分析（Process Failure Mode and Effects Analysis, PFMEA）、控制计划、作业指导书等文件，使现场实现标准化作业。

3 结束语

对于重型变速箱运转过程中的异响，本文通过对汽车基本构造和原理的分析，进一步研究重型变速器齿轮传动及各构件的结构与特点，最后归纳了导致变速箱异响出现的原因，并对常见故障进行判断与研究，可以为变速箱异响故障诊断、变速箱设计提供依据和参考。

[1] 李敬杰.重型卡车变速器齿轮传动方案设计及仿真分析[J].机械管理开发,2021,36(12):115-117.

[2] 高原,鞠丽,李文新.汽车变速器齿轮类零件的锻造[J].锻造与冲压,2022(13):26-28.

[3] 张兰生,纪建奕,杨朝会,等.机床齿轮箱变速器振动特性分析及优化研究[J].机床与液压,2022,50(18): 15-20.

[4] 杨罡.汽车变速器齿轮噪声与振动传递特性研究[D].济南:山东大学,2021.

[5] 雷刚,王虎银,刘子谦,等.变速器齿轮微观修形对振动响应的影响研究[J].重庆理工大学学报(自然科学),2022,36(3):86-94.

[6] 刘祖飞.基于齿轮修形的变速器啸叫治理[D].长春:吉林大学,2017.

[7] 边鹏,胡凯.某重型变速器副箱异响故障分析及改进[J].重型汽车,2020(1):27-29.

[8] 岳会军,张尧,李洪彪,等.变速器齿轮振动机理及修形减振降噪方法[J].北京航空航天大学学报,2017,43 (10):2003-2010.

[9] 王泽贵,周益,周观鹏,等.变速器啸叫声与下线台架振动的相关性试验研究[J].振动与冲击,2012,31(23): 180-184.

Analysis and Research on Abnormal Noise Fault of a Heavy Duty Transmission

CHEN Junyan, HU Youbin, QIN Zhengjian, CAO Debin

( China National Heavy Duty Truck Group Company Limited, Jinan 255000, China )

Heavy duty transmissions play an important role in the transmission system of commercial vehicles, as their quality directly affected driving comfort and handling. In order to adapt to the development trend and matching needs of high-power engines in commercial vehicles, this article analyzes the structure and characteristics of a heavy-duty transmission gear transmission, and finally summarized the common faults and cause analysis of the gearbox, The spindle floating and lubrication measures in the transmission design are proposed. This can provide a basis and reference for the diagnosis of abnormal noise faults in the gearbox and the design of the gearbox.

Heavy duty transmission; Gear transmission; Fault diagnosis; Abnormal noise analysis

TH132

A

1671-7988(2023)18-62-05

陈俊岩（1984－），男，硕士，工程师，研究方向为变速箱设计与开发，E-mail:1214690374@qq.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.018.013