齿轮轴过盈配合对轴肩微动磨损的影响研究

贾国海　龚金科　鄂加强　蔡皓　王曙辉　余明果

摘要：针对某动力总成齿轮轴轴肩在工作过程中发生严重微动磨损的现象，利用有限元软件ABAQUS建立了齿轮轴轴肩微动磨损仿真模型.通过对齿轮轴与轴承之间过盈配合的计算分析，得到齿轮轴过盈配合所需的最小过盈量，在此基础上对轴肩所受的微动磨损进行仿真分析，研究过盈配合对轴肩微动磨损的影响.通过分析在不同过盈配合下轴肩接触应力和轴肩变形量对微动磨损的影响表明：增大过盈量，轴承内圈与轴肩接触应力相应增大，轴承与轴肩接触面的相对变形量（即位移幅值）随之增大，轴肩微动磨损亦相应增大.因此，齿轮轴与轴承之间适当的过盈配合既可以保证静止状态下齿轮轴材料不出现塑性变形，又能使齿轮轴转动时有足够的接触压力传递有效转矩，可以有效地减缓齿轮轴轴肩处的微动磨损.

关键词：齿轮轴；微动磨损；过盈配合；位移幅值；ABAQUS

中图分类号：TH131.7 文献标识码：A

本文针对某动力齿轮轴轴肩出现严重微动磨损的现象，建立了齿轮轴轴肩微动磨损有限元仿真模型，分析在齿轮轴与轴肩过盈配合下轴肩作用力、位移幅值和微动磨损量的变化情况，为探究减缓微动磨损的措施提供参考依据.

1 研究对象描述

齿轮轴作为传递动力的最主要的机构之一，主要承受来自齿轮轴齿轮端的交变载荷来传递动力.在传递动力的过程中，在轴承内圈与轴肩接触处（图1中椭圆所示），由于受到微小振动，使齿轮轴轴肩受到比较严重的微动磨损.

由于微动磨损发生在干燥环境中，因此，对微动磨损起主要作用的是粘着磨损、磨粒磨损和疲劳磨损.疲劳主要是因为轴承和轴肩所受的力为方向不变、大小周期性改变的交变载荷，且随着表面间的往复作用，会产生表面疲劳裂纹加剧磨损.微动磨损会引起材料损失、表面形貌变化、表面或亚表面塑性变形或出现裂纹等现象.

2 齿轮轴过盈配合计算分析

当齿轮轴与轴承过盈配合时，会在配合表面产生正压力，使轴承的内外径扩张，齿轮轴的内外径压缩.齿轮轴与轴承的配合可以简化为两个厚壁圆柱套筒的过盈配合.齿轮轴与轴承间过盈量的大小，不仅与配合面的传动能力密切相关，而且还受齿轮轴运动状态的影响.在低速状态下，离心力的影响可以忽略不计；而对于高速转动，离心力则是影响齿轮轴与轴承配合的关键因素.因此，齿轮轴与轴承之间过盈配合不仅应满足静态传递能力的要求，而且要考虑动态特性的影响.齿轮轴与轴承之间过盈配合受力情况如图2所示.

5齿轮轴轴肩微动磨损数值仿真分析

由以上分析可知，齿轮轴轴肩的接触应力、位移幅值对此处的微动磨损有重要的影响.而齿轮轴与轴承的过盈配合对齿轮轴轴肩处的接触应力、位移幅值也有很大的影响，因此，为了得到齿轮轴轴肩微动磨损与齿轮轴轴肩接触应力、位移幅值以及齿轮轴与轴承之间过盈量的变化关系，本文在齿轮轴与轴承之间不同的过盈配合下对齿轮轴轴肩微动磨损进行了仿真计算分析.

6 结论

1）通过对齿轮轴过盈配合进行计算分析，得到齿轮轴运转过程中，其静态过盈量是动态过盈量的近65倍，从而得出齿轮轴过盈量主要应由静态过盈量确定，并在此基础上得到齿轮轴高速转动过程中所需的最小过盈量以及合适的过盈配合.

2）齿轮轴轴肩接触应力随着轴肩高度的升高而增大，其中，齿轮轴轴肩最外节点接触应力变化最大；在齿轮轴轴肩的每个节点，轴肩接触应力随着过盈量的增大而增大，从而可知齿轮轴轴肩的微动磨损很大程度上受到接触应力的影响.

3）齿轮轴过盈配合对轴肩部位变形量的影响相同：轴向、径向相对变形量都会随着过盈量的增大而增大，其中，径向方向变化较为明显，从而可知齿轮轴轴肩径向位移幅值对轴肩的微动磨损影响较大.

4）齿轮轴轴肩微动磨损量从轴肩根部至顶部逐渐增大；齿轮轴轴肩每个节点的微动磨损量也随着过盈量的增大而增大.适当减小过盈量，接触面接触应力和相对位移幅值都相应减小，轴肩微动磨损量也会相应减小.

5）在综合考虑齿轮轴材料的屈服强度极限和疲劳强度极限的基础上，考虑一定的安全裕度，将齿轮轴与轴承选择一个适当的过盈配合，不仅能保证一定的连接强度，还可以有效减缓齿轮轴轴肩微动磨损.

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