变速箱的故障分析

王岩 郭凯 于淳 龚琳 李阳

摘要：变速箱是传动系统的重要组成部分，是影响其性能的关键部件。本文分析了变速箱中齿轮、轴承和轴等主要零部件的失效形式，并对故障诊断方法进行了简要的介绍。

关键词：变速箱；失效形式；诊断技术

变速箱是机器的重要组成部分。具有传递运动、扭矩和实现变扭变速的功能，是各种车辆的重要部件。汽车变速箱是汽车的主要传动部件，担负着将动力从发动机传递到车轮的重要任务。但是由于机器的特殊运行条件和运行环境，使得变速箱中的齿轮、轴承、轴等主要零部件常发生故障。因而对变速箱的常见故障进行分析具有重要的意义。

一、变速箱的主要失效形式

（一）轴承的失效

轴承最常见的失效形式是轴承滚道的疲劳剥落，剥落根据最初發生的部位可分为表面起源的疲劳剥落和表面下起源的疲劳剥落。

（1）轴承磨损失效。由于超负荷工作或润滑不良造成轴承滚道、滚动体、保持架、内孔和轴颈的非正常磨损、轴承精度超差，引起振动。

（2）轴承疲劳失效。轴承的强迫安装和润滑不良，会使滚动体及滚道表面在交变载荷作用下加速疲劳剥落，进而造成轴承失效。

（3）轴承腐蚀失效。由于没有及时更换失效或变质的润滑油，而造成轴承表面的化学腐蚀，表现为表面产生锈蚀。

（4）轴承碎裂。由于长时间、高转速、大载荷运行，以及润滑不良引起轴承高温抱轴，若继续运转，将导致轴承的碎裂。

（5）轴承粘着磨损。由于轴承内缺乏润滑油，轴承运转生成的热量不能及时散发。

（二）轴的失效

轴的失效形式主要是因疲劳强度不足而产生的疲劳断裂，或是因静强度不足而产生的塑性变形或脆性断裂、磨损、超过允许范围内的变形和振动等等。

（1）弯曲变形。当轴受力过大、装配不当、存在内应力时均可引发塑性弯曲变形，引起振动及故障。

（2）疲劳断裂。在交变载荷的作用下，在轴的应力集中部位会出现疲劳裂纹及断裂。

（3）扭转变形。转轴在传递动力时产生弹性扭转变形，一般不影响轴的正常工作。但当动力或负荷扭矩变化时，就会引起转轴的扭转振动。当扭矩超限时可使轴产生扭转永久变形。

（三）齿轮的失效

齿轮发生故障的比例很高，有齿轮装置的传动机械中80%的故障与齿轮的故障有关，在旋转机械中齿轮的失效占其故障的10%左右。变速箱齿轮的失效类型主要是齿面破坏和齿断裂。

（1）齿面机械磨损。当外部环境因素影响比较大，污物、金属屑末、尘埃和砂粒等进入齿的工作表面时就会引起齿面的机械磨损。此外，齿面的机械磨损还与润滑不良有关，当操作不当产生冲击时，还会加速齿面的磨损。

（2）齿面的剥落。齿面如发生相对滑动，在润滑不良、大载荷条件下会使工作面的温度过高，从而引起齿面金属熔融粘着并产生剥落。

（3）齿的断裂。断裂分疲劳断裂和过载断裂两种情况，工作中齿根截面受弯矩最大，且根部有较大的应力集中，是危险断面，当负荷超过一定值或者在循环载荷的作用下，齿根部会产生裂纹、断裂。

（4）齿轮润滑不良引起的失效。由于齿轮的润滑不良，从而导致散热能力不足，或者长时间超载运转引起齿轮温升超标，都会使齿面变色、退火软化，造成齿轮失效。

二、变速箱的故障诊断技术

随着检测传感技术、自动控制技术等的发展，对变速箱实施故障诊断显得尤为重要。自20世纪80年代初，我国开展故障诊断技术的研究工作以来，从理论研究到实际应用都取得了巨大的成就。变速箱的故障诊断作为旋转机械故障诊断的一部分，在诊断技术的研究和应用等方面也取得了较大的进展。

变速箱的故障会引起机器振动，产生噪声，从而导致机器故障。根据检测的手段不同，目前汽车变速箱故障诊断技术主要有以下几种：

（1）振动检测法。振动检测法是以变速箱的振动信号作为信息源，在变速箱运行过程中，通过实时检测变速箱振动参数的变化特征来判别变速箱的运行状态。

（2）噪声检测法。噪声检测法是采集变速箱运行中的噪声信号作为信息源，在变速箱运行过程中，通过噪声参数的变化特征来判别变速箱的运行状态。

（3）温度检测法。温度检测法是以变速箱的工作温度作为采集信号，在变速箱运行过程中，通过对温度信号的监测来判别变速箱的运行状态。

（4）声发射检测法。声发射检测法是以弹性波作为采集信号。因为变速箱的金属零件在磨损、变形、破裂过程中会产生弹性波，分析弹性波的频率变化，就可以判别变速箱的运行状态。

（5）光纤传感法。光纤传感法是利用光导纤维式位移传感器直接从轴承内圈和外圈的表面提取信息，来判别变速箱的运行状态。

（6）磨损残余分析法。磨损残余分析法是对变速箱润滑油中的磨损残余物进行分析，根据变速箱运行过程中磨损残余物含量的变化，来判断变速箱的运行状态。主要包括光谱分析、铁谱分析和x射线分析等。

三、小结

本文概括了汽车变速箱常见的几种失效形式以及故障诊断的方法，为减少汽车变速箱的故障发生率，提高变速箱工作效率奠定了基础。

参考文献：

[1]曾宗福 机械设计基础.化学工行出版社 2008.1

[2]周开勤 机械零件手册 高等教育出版社 2005.5