張敬彩

中國(guó)機(jī)械科學(xué)研究總院集團(tuán)有限公司 北京 100044

我國(guó)汽車齒輪傳動(dòng)試驗(yàn)與檢測(cè)技術(shù)經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，已基本形成包含基礎(chǔ)試驗(yàn)、開發(fā)試驗(yàn)、對(duì)標(biāo)試驗(yàn)、下線檢測(cè)、在線監(jiān)測(cè)為一體的覆蓋產(chǎn)品全壽命周期的試驗(yàn)與檢測(cè)體系。

基礎(chǔ)試驗(yàn)及其發(fā)展概況

汽車齒輪傳動(dòng)產(chǎn)品的基礎(chǔ)試驗(yàn)主要目的是為齒輪設(shè)計(jì)和質(zhì)量升級(jí)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（疲勞性能、動(dòng)態(tài)性能等），支持優(yōu)化材料、工藝、潤(rùn)滑油以及進(jìn)行齒輪抗疲勞設(shè)計(jì)、制造技術(shù)研究。齒輪傳動(dòng)相關(guān)基礎(chǔ)試驗(yàn)通常包括齒輪承載能力試驗(yàn)，齒輪傳動(dòng)誤差試驗(yàn)等，這類試驗(yàn)一般不以具體產(chǎn)品為目標(biāo)，而是選擇具有代表性的被試零件進(jìn)行測(cè)試，得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有一定的普遍應(yīng)用價(jià)值。

在我國(guó)，真正全面開展齒輪承載能力試驗(yàn)研究起步較晚。20世紀(jì)80年代初，以鄭州機(jī)械研究所、北京鋼鐵學(xué)院（現(xiàn)北京科技大學(xué)）和哈爾濱工業(yè)大學(xué)等為核心的研究團(tuán)隊(duì)，用3年時(shí)間進(jìn)行了200多對(duì)齒輪的運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，對(duì)我國(guó)軟/硬齒面齒輪的承載能力進(jìn)行了全面的試驗(yàn)測(cè)試與對(duì)標(biāo)（ISO標(biāo)準(zhǔn)）研究，這是至今為止的一次較大規(guī)模的齒輪試驗(yàn)研究，形成了一定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，奠定了基礎(chǔ)試驗(yàn)的試驗(yàn)方法。

此后，一些軟/硬齒面鋼齒輪的極限應(yīng)力測(cè)定、齒輪的變形和剛度測(cè)定、油膜厚度及齒面溫度測(cè)定等都取得了一些成果。在承載能力試驗(yàn)設(shè)備研制方面，CL-100、JG-150等疲勞試驗(yàn)機(jī)制造已經(jīng)形成小批量規(guī)模。試驗(yàn)規(guī)程的標(biāo)準(zhǔn)化工作也加快了步伐，基于ISO的接觸疲勞強(qiáng)度、彎曲疲勞強(qiáng)度和齒輪膠合承載能力的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)于20世紀(jì)90年代初相繼頒布。

但在隨后較長(zhǎng)一段時(shí)間里，國(guó)家在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域投資減少，對(duì)基礎(chǔ)試驗(yàn)的重視程度降低，導(dǎo)致齒輪承載能力試驗(yàn)研究基本處于停滯狀態(tài)，因此我國(guó)的齒輪承載能力測(cè)試與抗疲勞設(shè)計(jì)制造技術(shù)研究水平與國(guó)外先進(jìn)水平相差甚遠(yuǎn)。與先進(jìn)國(guó)家同類產(chǎn)品相比，傳遞同樣轉(zhuǎn)矩，我國(guó)齒輪傳動(dòng)產(chǎn)品的體積、質(zhì)量比國(guó)外大30%～50%甚至更多；同樣體積的產(chǎn)品則傳遞轉(zhuǎn)矩明顯偏低，振動(dòng)噪聲及可靠性水平也有較大差距。

近年來(lái)，在企業(yè)發(fā)展需求推動(dòng)和國(guó)家政策的支持下，齒輪基礎(chǔ)試驗(yàn)在汽車行業(yè)得到逐步重視，部分高校、研究院所和高端、大型汽車齒輪傳動(dòng)企業(yè)已重啟齒輪承載能力測(cè)試研究，獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)已能初步指導(dǎo)正向設(shè)計(jì)的開展與制造工藝的優(yōu)化，推動(dòng)了設(shè)計(jì)制造一體化進(jìn)程，對(duì)提高產(chǎn)品可靠性起到了有效作用。

企業(yè)對(duì)試驗(yàn)檢測(cè)的重視也推進(jìn)了相關(guān)試驗(yàn)設(shè)備的研發(fā)。機(jī)械科學(xué)研究總院下屬中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心測(cè)試技術(shù)與裝備研究所，在引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)測(cè)試方法與技術(shù)的基礎(chǔ)上，成功研制了背靠背齒輪疲勞性能試驗(yàn)臺(tái)及齒輪接觸疲勞試驗(yàn)方法，自適應(yīng)均載齒輪彎曲疲勞試驗(yàn)夾具與試驗(yàn)方法，以及帶載高精度齒輪接觸斑點(diǎn)、傳遞誤差試驗(yàn)臺(tái)及相關(guān)試驗(yàn)方法，為國(guó)內(nèi)企業(yè)提供了先進(jìn)可靠的試驗(yàn)設(shè)備和全面深入的技術(shù)服務(wù)，有力推動(dòng)了汽車行業(yè)齒輪基礎(chǔ)試驗(yàn)的開展。

齒輪疲勞測(cè)試

1.齒輪疲勞試驗(yàn)的作用與意義

齒輪疲勞試驗(yàn)是齒輪產(chǎn)品壽命與可靠性的保證，產(chǎn)品功率密度及成本控制的基礎(chǔ)。通過(guò)疲勞試驗(yàn)，可以建立全面可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，提供分析設(shè)計(jì)可靠性，縮短開發(fā)時(shí)間，降低開發(fā)成本，解決產(chǎn)品壽命可靠性和承載能力（功率密度）問(wèn)題，從根本上提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

齒輪疲勞試驗(yàn)的作用和意義如下：

（1）獲取基于實(shí)際工藝及潤(rùn)滑條件下的齒輪材料S-N曲線 齒輪的強(qiáng)度與壽命，不僅與材料牌號(hào)有關(guān)，還與齒輪的熱處理工藝、冷加工工藝、表面處理工藝以及潤(rùn)滑油性能有關(guān)。因此，從材料手冊(cè)上查出的材料強(qiáng)度數(shù)據(jù)無(wú)法代表本企業(yè)的齒輪強(qiáng)度，要想獲得可靠的數(shù)據(jù)，必須通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試本企業(yè)工藝條件下齒輪材料的疲勞特性。

基于實(shí)際所用材料、加工工藝、油品條件等，通過(guò)測(cè)試齒輪材料的疲勞性能，獲取S-N曲線，從而用于產(chǎn)品正向設(shè)計(jì)，制造出樣機(jī)后再進(jìn)行載荷譜下的疲勞壽命試驗(yàn)，最終實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。這樣的技術(shù)路線（見圖1）才能從根本上解決齒輪疲勞壽命問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)高功率密度和高可靠設(shè)計(jì)，形成設(shè)計(jì)——試驗(yàn)——生產(chǎn)的閉環(huán)。

圖1 提高齒輪傳動(dòng)疲勞可靠性的技術(shù)路線

將企業(yè)所用齒輪材料和對(duì)應(yīng)工藝加工出的齒輪疲勞強(qiáng)度特性，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試出來(lái)，提供給設(shè)計(jì)部門。一方面解決了設(shè)計(jì)部門在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)缺少依據(jù)的問(wèn)題；另一方面，讓設(shè)計(jì)部門選擇已有實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)的材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)。

1）設(shè)計(jì)部門的設(shè)計(jì)以企業(yè)使用的材料和工藝為基礎(chǔ)，因此，新產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成后，工藝部門無(wú)需再進(jìn)行齒輪加工工藝的開發(fā)，而是直接采用指定材料和工藝，提高效率。

2）確保所用材料和工藝加工出的齒輪疲勞強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，保證產(chǎn)品可靠性，免除制造產(chǎn)品強(qiáng)度指標(biāo)不確定的風(fēng)險(xiǎn)和問(wèn)題。

（2）以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)確定企業(yè)齒輪加工工藝優(yōu)化方向 哪一種工藝更好？在材料相同、成本相當(dāng)?shù)那闆r下，能夠獲得最好的齒輪強(qiáng)度和壽命指標(biāo)的工藝顯然是好工藝。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試不同工藝下的齒輪強(qiáng)度和疲勞壽命特性進(jìn)而進(jìn)行比較，是優(yōu)化工藝的重要指南和客觀指標(biāo)。

一個(gè)好的齒輪加工企業(yè)，正是通過(guò)不斷的測(cè)試對(duì)應(yīng)不同材料和工藝的齒輪疲勞特性，對(duì)比選擇，達(dá)到不斷優(yōu)化齒輪加工工藝的目的。其結(jié)果是，在材料相同、成本相當(dāng)?shù)臈l件下，生產(chǎn)出疲勞強(qiáng)度更高的齒輪，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

（3）為企業(yè)決策提供客觀依據(jù) 齒輪疲勞試驗(yàn)結(jié)果可以為企業(yè)大型決策提供客觀依據(jù)。例如：一種齒輪加工工藝（強(qiáng)力噴丸的呢等）是否應(yīng)該采用，需要進(jìn)行投資和回報(bào)比較，而回報(bào)的關(guān)鍵指標(biāo)就是齒輪的疲勞強(qiáng)度提升量有多少；決定是否需要引進(jìn)一種新型齒輪材料時(shí)，同樣需考慮其對(duì)齒輪強(qiáng)度和壽命的提升程度；在投資額給定條件下,是投資于提升齒輪材料還是投資于提升工藝水平，同樣需比較采用不同改進(jìn)后所得到的齒輪強(qiáng)度和壽命提升量的大小。齒輪疲勞壽命對(duì)比試驗(yàn)即可以為此決策提供客觀依據(jù)。

齒輪疲勞測(cè)試包括齒輪彎曲疲勞、接觸疲勞測(cè)試，分別對(duì)應(yīng)不同測(cè)試方法和試驗(yàn)設(shè)備。

2.齒輪接觸疲勞試驗(yàn)技術(shù)與設(shè)備

齒輪接觸疲勞試驗(yàn)的目的是測(cè)試齒輪在傳遞一定轉(zhuǎn)矩（不同水平轉(zhuǎn)矩）的情況下，齒面出現(xiàn)點(diǎn)蝕等接觸疲勞前所能運(yùn)行的循環(huán)周次。齒輪接觸疲勞試驗(yàn)需要將載荷（轉(zhuǎn)矩）施加到一對(duì)齒輪上，通過(guò)齒輪進(jìn)行嚙合運(yùn)行來(lái)進(jìn)行測(cè)試。

齒輪接觸疲勞試驗(yàn)一般采用背靠背結(jié)構(gòu)，功率封閉模式試驗(yàn)臺(tái)，這樣的布置使得運(yùn)轉(zhuǎn)成本低。

為保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，試驗(yàn)設(shè)備必須滿足以下基本要求：

（1）高系統(tǒng)剛度 試驗(yàn)臺(tái)需確保在全部的加載轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)，都能保持齒輪處于良好的嚙合狀態(tài)，保證齒輪嚙合狀態(tài)不隨載荷變化而變化。保證試驗(yàn)臺(tái)好的系統(tǒng)剛度，無(wú)法通過(guò)提高試驗(yàn)臺(tái)的零件剛度而實(shí)現(xiàn)，而是需要通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，剛?cè)岽钆洌罱K保證試驗(yàn)齒輪的基本額嚙合狀態(tài)不隨載荷變化而改變。

如果試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)剛?cè)岽钆洳缓侠?、系統(tǒng)剛度不好，加載后會(huì)導(dǎo)致齒輪軸、軸承和齒輪箱體的變形，從而使齒輪產(chǎn)生錯(cuò)位，并最終導(dǎo)致在齒輪局部產(chǎn)生較高的接觸應(yīng)力。這將導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果失真并將誤差帶入到齒輪材料疲勞強(qiáng)度數(shù)據(jù)，將這樣的數(shù)據(jù)用于齒輪的分析和計(jì)算，將誤導(dǎo)設(shè)計(jì)，導(dǎo)致設(shè)計(jì)結(jié)果不可靠。

（2）長(zhǎng)壽命、高可靠性 作為疲勞壽命測(cè)試設(shè)備，齒輪疲勞壽命試驗(yàn)臺(tái)需要具備高可靠性，具有每天連續(xù)24h運(yùn)行能力，而且使用壽命盡量長(zhǎng)。

該類設(shè)備的典型代表是機(jī)械科學(xué)研究總院中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心與英國(guó)紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)齒輪技術(shù)中心合作產(chǎn)品。該設(shè)備以英方全套技術(shù)為基礎(chǔ)，形成了系列化產(chǎn)品。如圖6所示分別為91.5mm和160mm兩種中心距的齒輪接觸疲勞試驗(yàn)臺(tái)，其參數(shù)見表1，其用戶包括陜西法士特齒輪傳動(dòng)有限公司、上汽變速器有限公司等大型汽車齒輪傳動(dòng)企業(yè)。試驗(yàn)設(shè)備性能代表國(guó)際先進(jìn)水平。

圖2 中機(jī)-DU系列化齒輪疲勞壽命試驗(yàn)臺(tái)

表1 中機(jī)-DU系列化齒輪疲勞壽命試驗(yàn)臺(tái)技術(shù)參數(shù)

中機(jī)-DU系列化齒輪疲勞壽命試驗(yàn)臺(tái)除了滿足上述齒輪疲勞壽命試驗(yàn)臺(tái)的基本要求之外，還具有如下特點(diǎn)：

1）液壓加載，先起動(dòng)后加載，避免帶載起動(dòng)瞬間過(guò)載損傷齒面。采用液壓加載器，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)隨時(shí)可調(diào)，因此可以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)起動(dòng)運(yùn)行平穩(wěn)后再逐漸加載至試驗(yàn)轉(zhuǎn)矩，然后開始計(jì)數(shù)。很好地避免了機(jī)械扭桿加載所無(wú)法避免的加載后強(qiáng)行起動(dòng)所帶來(lái)的起動(dòng)載荷遠(yuǎn)大于設(shè)定載荷而導(dǎo)致的不應(yīng)該有的損傷，保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

2）液壓加載，閉環(huán)控制，轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定、精度高。采用液壓加載器，轉(zhuǎn)矩加載通過(guò)計(jì)算機(jī)及安裝在轉(zhuǎn)矩封閉環(huán)中的轉(zhuǎn)矩測(cè)量單元和遙測(cè)系統(tǒng)形成轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制回路，實(shí)現(xiàn)了與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)的、連續(xù)無(wú)極可調(diào)的轉(zhuǎn)矩控制。轉(zhuǎn)矩控制準(zhǔn)確、穩(wěn)定，因此可以保證整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中的轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定在目標(biāo)試驗(yàn)轉(zhuǎn)矩值，避免了機(jī)械扭桿加載式試驗(yàn)臺(tái)在試驗(yàn)過(guò)程中轉(zhuǎn)矩由于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行而逐漸衰減的問(wèn)題。

3）液壓加載，增加阻尼減振、振動(dòng)小。液壓加載器作為連接兩個(gè)試驗(yàn)箱中的一個(gè)柔性環(huán)節(jié)，起到了增加阻尼和減小振動(dòng)的作用。與扭桿加載式試驗(yàn)臺(tái)相比振動(dòng)小，避免了振動(dòng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，因此可以保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

4）試驗(yàn)效率高。試驗(yàn)臺(tái)具有兩個(gè)試驗(yàn)齒輪箱，兩個(gè)試驗(yàn)箱可同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)（而不是一個(gè)試驗(yàn)箱，一個(gè)陪試箱）。因此每次試驗(yàn)，可給出兩組疲勞強(qiáng)度或磨損數(shù)據(jù)，效率是只有一個(gè)被試箱試驗(yàn)臺(tái)的兩倍。在兩個(gè)試驗(yàn)齒輪箱里可以同時(shí)測(cè)試不同的齒輪材料、熱處理工藝和潤(rùn)滑油品，更方便用于對(duì)比測(cè)試，可以準(zhǔn)確得到相同工況下的不同材料、工藝加工齒輪的疲勞壽命區(qū)別。

5）節(jié)約試驗(yàn)齒輪。試驗(yàn)臺(tái)可正反轉(zhuǎn)動(dòng)和加載，可以對(duì)齒輪兩側(cè)齒面進(jìn)行試驗(yàn)。在不拆卸齒輪的情況下，每對(duì)齒輪可以獲得兩個(gè)數(shù)據(jù)。

6）加載無(wú)滯后、試驗(yàn)結(jié)果更準(zhǔn)確。試驗(yàn)臺(tái)液壓轉(zhuǎn)矩加載器采用間隙密封（無(wú)密封圈），具有長(zhǎng)壽命，免維護(hù)，無(wú)滯后的特點(diǎn)。

7）錐孔配合，對(duì)中精度高、易裝卸。試驗(yàn)齒輪安裝方式為錐孔配合，可實(shí)現(xiàn)齒輪快速安裝和拆卸，而且齒輪和軸對(duì)中精度高，無(wú)磨損，確保試驗(yàn)結(jié)果可靠性。

試驗(yàn)臺(tái)主要功能如下：

建立使用現(xiàn)有熱處理方法和加工工藝加工的齒輪材料性能數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)可以直接用于齒輪設(shè)計(jì)，也可作為評(píng)估替代材料或熱處理工藝的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

評(píng)估新型齒輪鋼的性能及工藝水平，如空氣滲碳淬火鋼、直接淬火鋼、新型滲氮鋼和其他替代鋼或新的熱處理工藝。

評(píng)估可供選擇的表面處理工藝對(duì)齒輪疲勞性能的改善程度，例如強(qiáng)力噴丸、激光噴丸、齒根研磨及表面鍍膜（例如基于PVD技術(shù)的薄碳膜）等。

評(píng)價(jià)齒輪、潤(rùn)滑油微觀點(diǎn)蝕性能——由于臺(tái)架具備高速、大轉(zhuǎn)矩性能，因此可用于評(píng)價(jià)初期微觀點(diǎn)蝕的發(fā)生。試驗(yàn)臺(tái)布局決定了該試驗(yàn)臺(tái)可用于小齒輪為主動(dòng)齒輪和被動(dòng)齒輪兩種運(yùn)行方式的微觀點(diǎn)蝕的研究分析。

齒輪膠合性能——試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)運(yùn)行速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)齒輪膠合速度極限。由于臺(tái)架可以嚴(yán)格控制驅(qū)動(dòng)功率，因此膠合試驗(yàn)可以安全進(jìn)行。

齒輪潤(rùn)滑試驗(yàn)——每個(gè)試驗(yàn)齒輪箱有一套獨(dú)立的潤(rùn)滑系統(tǒng)，并具備溫度控制功能。結(jié)合高速大轉(zhuǎn)矩運(yùn)行能力，試驗(yàn)臺(tái)可準(zhǔn)確地評(píng)估針對(duì)實(shí)際齒輪幾何形狀嚙合的潤(rùn)滑油性能。

齒輪修形驗(yàn)證——可用于對(duì)基于3D技術(shù)的微觀幾何修形設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。

該系列試驗(yàn)臺(tái)已廣泛逐步應(yīng)用于國(guó)內(nèi)重點(diǎn)傳動(dòng)企業(yè)，其中汽車行業(yè)用戶包括法士特汽車傳動(dòng)集團(tuán)公司、上海變速器有限公司。

3.齒輪彎曲疲勞試驗(yàn)技術(shù)與設(shè)備

齒輪彎曲疲勞試驗(yàn)可以在上一節(jié)介紹的背靠背齒輪疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)上，通過(guò)對(duì)滾連續(xù)運(yùn)行方式進(jìn)行。這種方法更接近實(shí)際工況，但試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)，試驗(yàn)成本高。

另一種方法是將被試齒輪固定，通過(guò)加載夾具由脈動(dòng)加載試驗(yàn)機(jī)在齒輪輪齒上施加周期變化的載荷。這種方法沒有上述方法更貼近齒輪實(shí)際工作情況，但可以代表輪齒交變受載，優(yōu)點(diǎn)是試驗(yàn)效率高、試驗(yàn)成本低。

為了提高試驗(yàn)效率，通常更多采用脈動(dòng)疲勞試驗(yàn)機(jī)+專用齒輪加載夾具的單齒加載試驗(yàn)方式來(lái)進(jìn)行齒輪彎曲疲勞壽命試驗(yàn)。脈動(dòng)疲勞試驗(yàn)機(jī)是通用成熟產(chǎn)品，試驗(yàn)夾具是專門為齒輪彎曲疲勞試驗(yàn)而研制，是保證試驗(yàn)結(jié)果可靠性的關(guān)鍵。原因是：試驗(yàn)載荷能否均勻加載到被試齒輪整個(gè)齒寬和正確位置上，將直接影響齒輪彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果，以下對(duì)這兩部分分別進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

（1）脈動(dòng)疲勞試驗(yàn)主機(jī) 脈動(dòng)疲勞試驗(yàn)機(jī)制造技術(shù)在我國(guó)已相對(duì)成熟，用于齒輪典型的電磁激勵(lì)共振性疲勞試驗(yàn)機(jī)如圖10所示，主要性能參數(shù)見表2。

表2 高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)參數(shù)

（2）專用試驗(yàn)夾具 高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)是一種通用設(shè)備，要完成齒輪彎曲疲勞壽命試驗(yàn)，需要配備專門的試驗(yàn)夾具。夾具的作用是保證在試驗(yàn)過(guò)程中輪齒加載的大小和位置準(zhǔn)確，載荷能在齒寬方向上均勻分布。因此疲勞試驗(yàn)專用夾具的設(shè)計(jì)是試驗(yàn)成功與否的關(guān)健。

圖3 高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)

專用夾具需保證按齒輪強(qiáng)度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)位置加載，且保證齒寬方向加載均勻性。目前GBT 14230——1993規(guī)定了兩種齒輪彎曲疲勞的試驗(yàn)夾具存在一定的問(wèn)題：

加載壓頭剛度過(guò)好，這樣可以確保斷齒而不至于使壓頭壓潰，但是齒輪必然存在加工和安裝誤差，由于壓頭沒有適應(yīng)能力，很容易導(dǎo)致輪齒局部受載，從而造成輪齒局部折斷或者輪齒斷面出現(xiàn)較大傾斜（見圖4），致使試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性很大。這種離散不是由于材料本身缺陷造成，而是由于夾具加載不均造成的。

圖4 受載不均勻的斷齒

為解決這一問(wèn)題，已研制出一種新型彎曲疲勞夾具，新型夾具具有自適應(yīng)齒輪的加工及安裝誤差的功能，因此能保證試驗(yàn)載荷均勻加在被試齒輪整個(gè)有效齒寬上，同時(shí)保證加載位置準(zhǔn)確，以確保齒輪彎曲疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。

新型夾具試驗(yàn)輪齒的斷口形貌見如圖5所示，試驗(yàn)輪齒的斷面形狀規(guī)則，斷齒部位在齒根圓角部位。

圖5 新型夾具斷口形狀

4.試驗(yàn)齒輪設(shè)計(jì)與制造

齒輪疲勞壽命試驗(yàn)屬于基礎(chǔ)共性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果將用于各種不同參數(shù)的齒輪設(shè)計(jì)，因此，試驗(yàn)齒輪非產(chǎn)品齒輪。齒輪尺寸及精度要求不同于產(chǎn)品齒輪，但對(duì)于影響齒輪基本疲勞特性的材料、熱處理工藝等，需要與產(chǎn)品齒輪生產(chǎn)條件相同。對(duì)于不同的試驗(yàn)?zāi)康模囼?yàn)齒輪的設(shè)計(jì)要求不同。試驗(yàn)齒輪設(shè)計(jì)是否合理、制造是否符合規(guī)范，將直接決定試驗(yàn)?zāi)芊裢瓿桑约霸囼?yàn)結(jié)果是否可用。

針對(duì)行業(yè)需求，國(guó)內(nèi)已有科研單位通過(guò)與先進(jìn)國(guó)家權(quán)威機(jī)構(gòu)合作，學(xué)習(xí)、引進(jìn)并消化掌握了齒輪疲勞壽命試驗(yàn)齒輪的設(shè)計(jì)精髓和加工制造過(guò)程中應(yīng)遵循的規(guī)則和要求，因此具備了根據(jù)用戶試驗(yàn)?zāi)康暮陀脩舢a(chǎn)品特點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)齒輪設(shè)計(jì)和指導(dǎo)企業(yè)進(jìn)行試驗(yàn)齒輪加工的能力。此基礎(chǔ)上自主開發(fā)了齒輪疲勞壽命試驗(yàn)齒輪設(shè)計(jì)軟件，軟件界面如圖6所示。該軟件可用于進(jìn)行接觸和彎曲疲勞試驗(yàn)齒輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)和應(yīng)力水平的計(jì)算。

圖6 試驗(yàn)齒輪參數(shù)與試驗(yàn)應(yīng)力設(shè)計(jì)系統(tǒng)

5.數(shù)據(jù)處理方法及軟件

齒輪疲勞壽命試驗(yàn)不同于針對(duì)變速器總成的性能或耐久試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果需要進(jìn)行處理后才能用于設(shè)計(jì)軟件的輸入，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和處理是決定試驗(yàn)結(jié)果能否正確應(yīng)用的關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)已有研究院所對(duì)齒輪疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果的處理方法進(jìn)行了深入研究，并在此基礎(chǔ)上自主編制了一套軟件，專門供試驗(yàn)人員進(jìn)行齒輪應(yīng)力計(jì)算，且根據(jù)不同的試驗(yàn)方法和實(shí)際測(cè)試結(jié)果，自動(dòng)計(jì)算和繪制齒輪R-S-N曲線，完成從試驗(yàn)數(shù)據(jù)到設(shè)計(jì)可用數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化過(guò)程。

齒輪傳遞誤差測(cè)試技術(shù)與設(shè)備

1.齒輪傳遞誤差測(cè)試發(fā)展情況概述

齒輪傳動(dòng)誤差是機(jī)械傳動(dòng)鏈中振動(dòng)、噪聲的主要激勵(lì)源，是檢測(cè)齒輪嚙合質(zhì)量的重要指標(biāo)。傳動(dòng)誤差試驗(yàn)可以幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行齒輪的修形設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)依據(jù)，以達(dá)到降低振動(dòng)噪聲的目的。

齒輪傳遞誤差測(cè)試從測(cè)試方式上可分為空載和帶載測(cè)試，從測(cè)試對(duì)象上可以分為單對(duì)齒輪和傳動(dòng)系統(tǒng)總成。在我國(guó)研究較早的大部分為空載單對(duì)齒輪傳遞誤差測(cè)量，適宜于齒輪幾何形狀與傳遞誤差關(guān)系的理論研究，因此多用于高校和研究機(jī)構(gòu)。

隨著人們對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)（如汽車變速器）振動(dòng)噪聲性能要求的提高，企業(yè)迫切需要解決實(shí)際產(chǎn)品的振動(dòng)噪聲問(wèn)題，因此需要測(cè)試齒輪在受載變形后的傳遞誤差測(cè)試結(jié)果。帶載傳遞誤差測(cè)試屬于重載高精度測(cè)量，難度很大。國(guó)際上也只有極少幾家公司可以提供此類設(shè)備。在國(guó)內(nèi)用戶的強(qiáng)烈需求推動(dòng)下，近幾年，我國(guó)在齒輪傳遞誤差測(cè)試設(shè)備研發(fā)方面取得了突破性進(jìn)展，2016年國(guó)內(nèi)首臺(tái)帶載傳遞誤差試驗(yàn)臺(tái)研制成功并在汽車變速器企業(yè)得到應(yīng)用，試驗(yàn)設(shè)備技術(shù)水平達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)行列，滿足了汽車變速器企業(yè)的需求。

2.齒輪傳遞誤差測(cè)試技術(shù)與設(shè)備

齒輪傳遞誤差需要在專用試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試，并通過(guò)專門軟件進(jìn)行分析。針對(duì)汽車變速器的傳遞誤差測(cè)試，目的是找到引起變速器嘯叫的根源，以便從根本上解決變速器嘯叫問(wèn)題。

傳遞誤差檢測(cè)結(jié)果可與設(shè)計(jì)模擬軟件相結(jié)合分析，優(yōu)化齒廓修形，主動(dòng)降低NVH問(wèn)題產(chǎn)生的可能性。對(duì)于存在NVH問(wèn)題的變速箱，幫助確定激勵(lì)源。通過(guò)實(shí)際測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證及優(yōu)化軟件分析模型，提高設(shè)計(jì)模擬軟件分析結(jié)果的可靠性。

傳遞誤差測(cè)量方式分為空載、加載條件下的單齒和系統(tǒng)測(cè)量。檢測(cè)齒輪在實(shí)際受載情況下的傳遞誤差值，需要采用加載測(cè)量方法。另外，由于傳遞誤差與齒輪轉(zhuǎn)速?zèng)]有直接關(guān)系，特別是傳遞誤差頻譜相對(duì)嚙合齒頻階次成分，與齒輪轉(zhuǎn)速?zèng)]有關(guān)系，為保證所測(cè)傳遞誤差值不受振動(dòng)等因素的影響，齒輪傳遞誤差采用在低速運(yùn)轉(zhuǎn)下測(cè)試。

我國(guó)自主研制的典型的齒輪傳遞誤差試驗(yàn)臺(tái)，采用雙電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，配備高精度低背隙減速箱，采用高精度圓光柵及自主專有角度測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)加載工況下的高精度傳遞誤差檢測(cè)。其功能、特點(diǎn)如下。

（1）單對(duì)齒輪實(shí)際工況模擬測(cè)試 試驗(yàn)臺(tái)可直接安裝單對(duì)齒輪，進(jìn)行傳遞誤差測(cè)試，減少了軸系變形等不可計(jì)量因素的影響，可用于齒輪傳遞誤差與齒輪設(shè)計(jì)參數(shù)、加工質(zhì)量之間的關(guān)系研究。同時(shí)該試驗(yàn)臺(tái)還能夠模擬齒輪在變速器中的實(shí)際錯(cuò)位情況，通過(guò)集成齒輪軸線夾角高精度調(diào)整和測(cè)量系統(tǒng)，試驗(yàn)人員只需將齒輪錯(cuò)位量輸入試驗(yàn)臺(tái)軟件對(duì)應(yīng)窗口中，軟件便可自動(dòng)計(jì)算出調(diào)整量，指導(dǎo)操作人員進(jìn)行齒輪角度調(diào)整。

因此，本試驗(yàn)臺(tái)可用于研究齒輪修形、制造誤差、錯(cuò)位量及加載大小等因素對(duì)齒輪傳遞誤差的影響；可模擬齒輪在整箱中實(shí)際受載和錯(cuò)位情況下測(cè)量傳遞誤差；可用于驗(yàn)證設(shè)計(jì)模擬軟件分析結(jié)果。

（2）移動(dòng)型角度測(cè)量單元 對(duì)于需要安裝變速器整箱測(cè)試的工況，除主機(jī)上安裝的角度測(cè)量單元，試驗(yàn)臺(tái)配置移動(dòng)型角度測(cè)量單元，在變速器總成測(cè)量時(shí)，可將移動(dòng)型測(cè)量單元直接安裝在待測(cè)軸端（非加載端），最大限度減小軸系變形對(duì)轉(zhuǎn)角測(cè)量的影響，獲得準(zhǔn)確的傳遞誤差數(shù)值。通過(guò)直接在變速器中對(duì)指定變速器齒輪副傳遞誤差進(jìn)行測(cè)量，可以幫助對(duì)有問(wèn)題變速器的問(wèn)題根源確定。

（3）專有高精度角度測(cè)量技術(shù) 進(jìn)行高精度的傳遞誤差測(cè)試，首先需要選擇高精度的角度傳感器，但更關(guān)鍵的是如何保證其最終實(shí)際測(cè)量精度，即綜合測(cè)量精度。為此該試驗(yàn)臺(tái)采用了下列精度控制技術(shù)與措施，確保測(cè)量數(shù)據(jù)的可信度及結(jié)果分析可靠性。

1）精密回轉(zhuǎn)軸系的設(shè)計(jì)：通過(guò)精密測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)、安裝調(diào)試，保證光柵主軸的高回轉(zhuǎn)精度。

2）機(jī)械回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)誤差消除技術(shù)：采用軟硬件結(jié)合的設(shè)計(jì)方案與技術(shù)，消除光柵回轉(zhuǎn)偏心誤差。

電路抗干擾能力：通過(guò)專門研制的告訴信號(hào)采集系統(tǒng)，保證傳感器采集信號(hào)的穩(wěn)定可靠。

3）系統(tǒng)誤差標(biāo)定技術(shù)：采用專門設(shè)計(jì)高精度標(biāo)定組件，對(duì)試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)誤差進(jìn)行標(biāo)定，并在試驗(yàn)結(jié)果中進(jìn)行分離。

（4）雙閉環(huán)控制技術(shù) 試驗(yàn)臺(tái)基于矢量變頻控制，采用轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定性好，特別是低速穩(wěn)定性，其具體指標(biāo)如下：轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性≤±0.1r/min；轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定性≤1%FS；可穩(wěn)定工作最低轉(zhuǎn)速≤1r/min。

（5）數(shù)采系統(tǒng)高性能 試驗(yàn)臺(tái)采用美國(guó)N IFPGA板卡，自行設(shè)計(jì)開發(fā)信號(hào)預(yù)處理系統(tǒng)及采集軟件，經(jīng)長(zhǎng)期使用驗(yàn)證，可靠性好。角度采樣頻率40～100MHz，轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩采樣頻率4MHz，傳感器信號(hào)采集同步性可控制在0.01μs。

（6）電控系統(tǒng)抗干擾 傳動(dòng)誤差的高精度高頻測(cè)量，對(duì)電控系統(tǒng)的抗干擾能力要求極高，稍有干擾，就可能導(dǎo)致測(cè)量信號(hào)失真。該試驗(yàn)臺(tái)采用強(qiáng)弱電分離、多層屏蔽等多項(xiàng)技術(shù)，大大提高了電控系統(tǒng)的抗干擾能力，確保測(cè)量可靠性。

（7）數(shù)據(jù)分析軟件 傳遞誤差數(shù)據(jù)分析軟件功能包括：數(shù)據(jù)整理、誤差補(bǔ)償、數(shù)據(jù)濾波、時(shí)域分析及頻域分析等，軟件可輸出時(shí)域測(cè)試結(jié)果、頻域分析結(jié)果，并按照齒頻階次顯示。

圖7～圖9 所示為我國(guó)自主研制的多功能齒輪傳遞誤差試驗(yàn)臺(tái)及試驗(yàn)臺(tái)控制軟件和數(shù)據(jù)處理軟件界面。

圖7 多功能齒輪傳遞誤差試驗(yàn)臺(tái)

圖8 齒輪傳遞誤差試驗(yàn)臺(tái)控制軟件參數(shù)設(shè)置界面

圖9 齒輪傳遞誤差試驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)處理軟件界面

結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)汽車行業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)與檢測(cè)技術(shù)水平得到了空前推進(jìn)。通過(guò)自主研發(fā)和引進(jìn)技術(shù)的消化吸收，我國(guó)自主研制的測(cè)試裝備水平不斷提高，但仍與國(guó)際先進(jìn)水平有一定差距。因此，我們應(yīng)不斷加強(qiáng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)研究和裝備研制，以滿足我國(guó)汽車行業(yè)發(fā)展的迫切需要，促進(jìn)該領(lǐng)域向高端化、高精度、智能化發(fā)展，向國(guó)際先進(jìn)水平看齊。