汽车变速器齿轮疲劳点蚀失效机理及表面强化研究

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齿轮是汽车变速器的核心部件,其传动性能和疲劳寿命对变速器的可靠性等关键性能指标有着重要影响。尤其现在电动汽车市场逐步形成,其动力传动系统向着高转速、高承载能力、轻量化、小型化等方向发展,对齿轮的承载能力等性能提出了更严苛的要求。疲劳点蚀是齿轮齿面最普遍的一种失效形式,不仅影响齿轮的传动精度,剥落的硬质颗粒还可能降低其它摩擦副的寿命。但是,点蚀失效的机理复杂,涉及齿轮材料、表面处理、润滑状况等,是多因素综合作用下的结果,因此一直是齿轮传动领域的关键研究课题之一。表面涂层技术被视为提高齿轮的抗疲劳点蚀性能的一种有效手段,具有良好的发展前景。本文以某款7挡双离合自动变速器(7DCT)的一挡斜齿轮副为研究对象,运用磷化处理技术在齿轮副上涂覆了磷酸锰转化涂层,并在动力循环式齿轮疲劳试验台上对其进行了接触疲劳试验,分析了涂层的强化机理。主要研究工作如下:(1)根据赫兹接触理论,对斜齿轮的齿面接触应力进行了计算;运用联合建模的方法搭建了齿轮副的接触有限元分析模型,研究了静态接触条件下输入转矩对齿面接触应力和表面切应力的影响规律,并将数值解与解析解进行了对比。(2)建立了不同支承跨度的齿轮箱刚柔耦合模型,通过啮合印迹的试验结果与仿真结果的对比验证了模型的准确性;计算了不同工况下齿轮副的啮合错位量和传递误差,对比分析了不同支承跨度下齿面单位长度载荷和表面下最大剪应力分布随转矩的变化规律。(3)把斜齿轮啮合简化为两个方向相反的圆锥滚子的接触,建立了斜齿轮副有限长线接触热弹流润滑模型,应用多重网格法对压力进行了求解,运用逐列扫描法对温度进行了求解,得到了不同啮合位置的油膜压力、厚度和温度场分布,探究了不同工况条件下斜齿轮副润滑特性的变化规律。(4)对磷酸锰转化涂层的显微形貌和表面粗糙度进行了测试与分析,在动力循环式齿轮疲劳试验台上对无涂层齿轮副和涂层齿轮副进行了接触疲劳试验,对比了两者的抗接触疲劳性能,并在扫描电镜中观察了不同阶段的裂纹形貌,从载荷性质、齿面摩擦和相对运动、润滑油及非金属夹杂物四个方面研究了齿轮疲劳点蚀的产生机理;通过观察试验后涂层齿轮表面的微观形貌,分析了磷酸锰涂层对齿轮传动的强化机理。
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