某变速器输出轴烧蚀问题分析及改进

刘晓雷



某变速器输出轴烧蚀问题分析及改进

刘晓雷

（陕西法士特汽车传动工程研究院，陕西 西安 710119）

文章针对某款变速器输出轴烧蚀问题，进行了失效机理和相关影响因素分析，并提出了改进措施和结构方案，通过试验验证了方案的有效性，解决了输出轴的烧蚀问题，对于变速器的设计有着重要的参考价值。

变速器；轴承润滑；改进

前言

输出轴是汽车变速器传递扭矩的重要零件之一，一般其后端与汽车传动轴联结，对于单中间轴变速器来说，除了承受扭矩外，还有径向载荷带来的弯矩，工况比较恶劣，其安全系数设计要求属于最高级，因为如果变速器输出轴出现诸如：烧蚀、断裂等问题，都会导致车辆不能正常行驶或者行驶存在很大的安全隐患。

1 问题描述

本文基于某款单中间轴变速器用户反馈的问题：在高速行驶行驶几千公里后，变速器挂倒、一挡困难或者挂上后出现掉挡现象，经过技术人员初步现场检查，发现输出轴靠近输出轴承处出现烧蚀，拆检照片见图1。

图1 拆检照片

2 问题分析

2.1 烧蚀热源分析

对返厂故障箱进行拆检发现：滚子轴承烧蚀，滚动体严重变形磨损，保持架变形，输出轴承前端的平挡圈、倒档齿轮隔垫、倒档齿轮接触端面都有不同程度的烧蚀，倒档齿轮内孔下的滚针轴承严重烧蚀，滚针扭曲，保持架烧结。

从现象判断是由于局部高温使得金属发生退火，从而引发后续一系列连锁失效，因此我们可以通过分析输出轴不同区域的表面硬度判断热源产生的位置，通过理化分析如图2所示的输出轴各个区域以及相关零件的表面硬度见表1所示：

表1 输出轴各区域及临近零件表面硬度

通过表1可以看出，输出轴C区域表面硬度最低，说明发生不止一次退火，输出轴内孔的表面硬度从右端至左端递增， B、D、E区域表面硬度也是从左向右递增，可以看出，以A区域为中心两侧的表面硬度出现递增，所以A区域应该是最初的热源产生区域。而C区域出现的最低表面硬度是由于A区域局部高温产生的附带结果，是由于滚针轴承严重烧蚀，滚针不能滚动而与齿轮内孔剧烈摩擦，再加上此处润滑很差，从而产生了大量的热，致使C区域发生了二次退火。

2.2 热量影响因素分析

通过对该箱的斜齿轮受力进行分析，可以得出前进档时输出轴上齿轮产生的轴向力朝向输出轴承，最终作用在输出轴承的平挡圈和滚子端面上，根据摩擦热力学［1］相关理论，假设摩擦功全部转换成热量，则有：

Q=F*s （1）

F=N*μ （2）

式中：Q-热量；F-摩擦力；s-相对位移；N是正压力；μ为摩擦系数

结合式（1）和（2）可以得出，摩擦产生热量跟轴向力大小、滚子与端面接触的摩擦系数、轴承的转速有关，通过受力分析可知，该变速器中间轴上的轴向力抵消，输出轴上前进档产生的轴向力是一样的，假定摩擦系数变化很小，我们可以得出在正压力一定（即轴向力）的情况下，式（1）和（2）中热量大小只跟轴承的转速有关，这就解释了高速时容易产生局部高温引起的后续烧蚀问题。

2.3 故障原因分析

综合上面的分析，我们可以得出输出轴及邻近零件产生烧蚀的原因如下：

（1）在高转速工况下，轴承的轴向承载能力不够。轴承滚子端面和平挡圈之间的滑动摩擦热量累积，导致轴承滚道和滚子首先发生高温退火，耐磨性能急剧下降，滚子出现严重磨损，进而产生更多的热量，当这些热量无法通过润滑油带走，就会致使邻近零件也发生高温退火，产生滚针轴承烧蚀等一系列失效。

（2）润滑不充分，轴承摩擦发热不能及时带走，是发生烧蚀的重要原因。故障现象解释：输出轴承滚子磨损和烧蚀，会使得输出轴支撑出现大幅度的偏摆，同步器挂挡会比较困难，且如果挂上档，也容易掉档。

3 改进方案及验证

3.1 改进方案

通过上文失效分析，我们知道可以从两方面入手进行，一方面提高轴承的轴向承载能力，另一方面加强润滑。

3.1.1圆柱滚子轴承强化设计

圆柱滚子轴承的特点是径向承载能力很大，轴向承载能力有限，根据查阅相关轴承资料［4］，滚子轴承的轴向承载能力有下面经验式：

式中：Pt旋转时的允许轴向负荷；k：轴承内部设计所决定的系数；d：轴承内径 mmPz：挡边允许表面压力 Mpa。

在轴承外部尺寸不变的情况下，根据以上经验公式和图表可以知道：增大轴承挡边系数，即加大轴承内圈挡边外径，提高其轴向承载能力；另外，内、外圈以及平挡圈进行特殊热处理，提高轴承的表面耐磨性。

3.1.2增强润滑

通过在上盖设置导油板、变速器壳体设置储油槽、后轴承盖设置润滑油道和回油道的方式，将变速器内部的飞溅油收集并通过图5所示的结构方案，从而最终在输出轴承的后部形成一个小的油池，油会以浸透的方式从外向里润滑轴承滚子，并且多余的油会通过回流孔流回变速器壳体内部。

图4 润滑结构剖视图

3.2 方案验证

（1）通过联合轴承厂家，进行轴承挡边系数优化和特殊热处理后的圆柱滚子轴承，进行轴承单体寿命试验，结果见表2所示：

表2 轴承单体试验数据表

其中试验载荷是按照实际满载最大载荷给定，可以看出寿命L10寿命是239小时，轴承寿命满足要求。

（2）增强润滑前后对比

图5 增强润滑前后对比

在后轴承盖靠近轴承底部打孔，来观察前后的漏油量，图5 a）是没有导油板并堵住变速器壳体储油槽孔时的情况，图5 b）是采取本文所述方案的情况。可以看出采用本文方案，轴承底部的油量充足，润滑效果明显。

（3）通过变速器疲劳台架试验和用户路试情况，目前改进方案的效果明显，有效解决了输出轴承烧蚀的问题，图6 a)是改进前方案台架试验完成后轴承的情况，可以看出挡圈已经有烧痕；图6 b)是改进后方案台架试验完成后轴承的情况，可以看出挡圈磨损很小。

图6 改进前后试验完成后轴承情况对比

4 结论

本文针对某中轻卡用变速器市场反馈的问题，从失效现象入手通过硬度法来判断最初的热源发生位置，并针对祸首零件进行了失效机理和相关影响因素分析，最终通过优化轴承设计、增加强制润滑的措施，有效解决了输出轴的烧蚀问题，通过台架和市场路试验证，此改进方案措施可靠有效。本文的问题分析及改进方案对于其他变速器设计有着重要的参考价值。

[1] 王成彪.摩擦学材料及表面工程.国防工业出版社, 2012,2.42-441.

[2] 陈家瑞.汽车构造:上,下册[M].北京:机械工业出版社.2011.

[3] 宋进桂,龚宗洋.汽车变速器理论基础选择设计与应用.[M].北京:机械工业出版社.2011.

[4]NSK.滚动轴承综合样本.日本精工株式会社.2010.

Analysis and improvement of ablation problem of transmission output shaft

Liu Xiaolei

( Shaanxi Fast Auto Drive Engineering Institute, Shaanxi Xi’an 710119 )

Aiming at the ablation problem of the output shaft of a transmission, this paper analyzes the failure mechanism and related influencing factors, and puts forward improvement measures and structural schemes. The effectiveness of the scheme is verified through tests, and the ablation problem of the output shaft is solved. It has important reference value for the design of the transmission.

transmission; bearing lubrication; optimization

U463.212+.4

A

1671-7988(2018)20-80-03

刘晓雷，男，工学硕士，主要从事汽车传动产品设计工作。

U463.212+.4

A

1671-7988(2018)20-80-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.20.028