齿轮传动系统寿命及噪音性能
保证方法与测试技术
中机中心制造工程研究所副所长
CGMA齿轮试验与检测工作委员会秘书长 张敬彩

      各位专家、各位前辈大家好,为什么说“各位前辈”?因为我在工程机械行业里是一个新兵,前面一些年主要在汽车行业里做事情,今天是第一次参加工程机械的行业活动,上午到下午学了很多东西,我简单讲一下我们在齿轮传动系统的可靠性、保证方法,寿命、噪音性能方面的一些体会,还有一些测试方法。


      上午已经有几位专家都是来自我们这个单位的,就是工程机械的试验厂是我们单位下属的一个部门,机械科学研究总院有下属很多单位,我来自机械科学研究总院中机中心制造工程研究所,专门搞试验、测试装备的。机械研究总院有很多资源,跟齿轮传动有关的有一些机构,其中是中国齿轮协会与齿轮试验工作委员会是我们所在负责。我们制造所不大,也就30多号人,团队创新能力比较强,同时也讲可靠,所以我们做出的设备不光是技术新颖,而且可靠性非常好,我想国内所有装备都需要考虑这一点,也是今天很多专家提到的,可以说是咱们今天的一个主题。


     下面讲一下齿轮传动系统相关的问题与解决方案。通过这个也可以引申到其他结构件、液压件等零部件,因为概念是相同的。齿轮传动在工程机械里主要涉及到箱和桥,通常来说有寿命问题和噪音问题,这是我们比较关注的两个问题。在工程机械里,寿命更受关注一些,更重要一些。

齿轮传动系统相关问题与解决方案

      怎么解决这个问题?我们现在把整个工程机械、变速箱、驱动桥任何一个产品的诞生都要经过这三个阶段:设计、开发、制造。我们往往把设计开发联合在一起说,其实这里头是两个含义,这里我定义了一下。设计是在计算机画图,你搞理论上设计,是纸面上的东西,这个过程是设计。


     开发是把设计的东西变成样机、实物,然后做试验,验证是否符合设计意图,这个过程要反反复复做很长时间。可以说整个设计、开发两年,其实设计只占几个月,另外一年多甚至两年多干什么?就是做样机,反反复复测试,我这个设计是否达到了设计目的,而且在什么条件下达到?基于实际制造条件下能够生产出来的样机,才能达到我们的设计目标,这才叫真正完成了开发,这时候图纸才可以冻结,才可以去生产。


      所以前面设计、开发环节不是简简单单把图画完就去加工、生产,这会遇到很多问题。我遇到宝马的工程师,他说宝马的车也没那么好,我们会内部彩排,你们看到的都是好的。还说中国人很胆大,彩排就让大家看着。我们有开发,让用户帮我们开发,所有问题暴露给用户是非常危险的,将来再这样做,估计我们的市场够没了。

    解决方案是三个阶段融合在一起,特点强调试验、开发的过程,为什么这个过程这么重要?因为把设计和制造连接在一起。现在做设计很多是不考虑制造工艺的,上来是先瞄准国外一个机型就开始做设计,把人家的仿照过来。我们这样做很有风险,人家那么做是基于人家的制造条件、工艺达到那样的水平,咱们把人家一模一样的炒过来,你制造出来的东西还是没有人家好用。所以一定要基于自己的制造条件。另外要基于我们的使用环境,这是设计阶段,一个叫S—N曲线,一个叫载荷谱,这两个分别代表我们的材料和质量怎样,S—N曲线是齿轮,什么样的数据是准确的?做一个齿轮,用自己的工具去做,然后测强度有多强,基于这个做设计,然后去加工肯定没有问题,出来的东西肯定能达到我们所预期的寿命。还有一个是使用工况,在什么条件下用也很重要,所以要测载荷谱,我们要实际把装载机、挖掘机在现场用,采集出每个钩架受力情况如何,回来基于这个做设计,这个设计才是可靠的设计,可靠性从设计阶段开始要方法正确。

    即使基于这样的设计还要做试验,要做验证,因为你设计时的假设状态不一定给你实际用的情况完全吻合。比如齿轮,比如是圆柱齿轮,这两根轴是平行的,但最后如果按照理论上设计出来的齿轮,装上去一定是偏载的,这是在设计时没有考虑的,用的时候如果偏齿轮会坏。所以我们有一些办法在设计上修正,变得均载,可以承载那么大的载荷,没有问题。这是设计完以后做开发的过程需要做的工作。

     这是我们做的实际案例的思路,怎么保证齿轮的疲劳强度。第一拿自己的工艺做出齿轮,根据载荷谱加在齿轮上,然后运行,看它的寿命是不是够。如果可以,我们基于这个条件去做设计。如果不能达到要求就要修改设计、修改工艺,优化工艺。工艺非常重要。同样的材料放到不同企业去加工,出来的强度不一样。所以每个企业做到用自己的工艺加工出来去做测试,以这样的数据为基础才可能做到可靠的设计。整个流程是这样的(图),有两个小闭环,一个大闭环,就是说要经过反反复复去测试,才可能得到一个可靠的产品。


    柳工正在做这样的事情,科技部有一个科技支撑项目,国家支持我们一定的费用,前面载荷谱已经做完了,齿轮在加工,后头会做进一步的工作。

    传动性的问题。齿轮如果偏载,接受不好,不光是承载能力不好,传动性误差也不平衡,传递误差会影响箱或者桥的振动,有这个震源才会振动,所以做好,传动性也会非常好。

齿轮及传动系统测试技术与装备

       下面说说我们自己,这个过程要测试,怎么去买测试设备?国外设备很贵,技术服务支持跟不上,买了设备也不会用,怎么办?我们做一些事情,给大家解决这方面的一些问题。


     从齿轮疲劳寿命保证的思路来讲,大家都会买的齿轮轴承寿命试验台,这个试验台是通过性的试验台,只能验证产品过还是不过。至于如何让产品过,怎么样改进设计才会让它过,不过问题在哪里?


     齿轮疲劳试验设备,你要想知道你的齿轮有多强,一定要拿你所用的材料在你的工艺下做疲劳试验,有疲劳设备、弯曲疲劳,我们重点做的是家具,疲劳试用机是通用产品,作为齿轮来说,因为你加载的时候一定要保证在齿宽方向是均匀加载,在可能反映它的实际情况。如果整个闭环每一个机械键有误差,如果没有吸收误差的能力,会导致加载头跟齿轮接触不均匀,这样做出来的试验就不可靠。所以我们的创新点,把加载头变成一个柔性环节,自适应,保证加载均匀,最后保证试验结果的可靠性。试验结果的可靠性非常重要,是我们做判断的依据,如果不可靠则是误导,国内已经有很多企业吃过这样的苦头。所以我们现在这样的加载头很受欢迎。


     齿轮疲劳还有一种失效方式是接触疲劳,齿面也会坏,但没有断齿,这样的试验我们有另外一台试验机是可以做的。

      这是我们跟英国纽卡斯尔齿轮技术中心联合做的,是世界领先,当之无愧。我们在国内已经有9台了,陆海空都有了我们这台子,汽车行业里也在普遍的采用。


背靠背齿轮疲劳试验机的功能:对比测试:用于检测齿轮材料、加工工艺、热处理参数改进、润滑油调整等对齿轮寿命的影响,定量评价。S-N曲线测试:测试齿轮材料S-N曲线,为齿轮正向设计计算提供可靠的基础依据。性能测试:振动、效率、接触斑点。下面还是强调作用,我就不多赘述了。

这是接触斑点试验台,这个台子已经做了五台,国内领先的汽车行业里,一汽、上汽、江淮、长安都有这个设备,这个设备我们一直推荐,成本不高回报非常高,疲劳寿命试验在没有完成这个试验之前一定不要做,如果偏载不是齿轮不够、载荷不大,而是接受区不好,接触区在满齿的情况下,应力会低很多,偏载了,应力会高很多,容易坏。

     另外一个台子我也非常推荐,系统里容易坏的一个是齿轮,另外一个是轴承,轴承跟润滑相关性太大,一个轴承再好不给油都会坏。润滑的作用是轴承运动过程中产生的热量带走,所以油量要足够。这是我们做的润滑试验台,润滑试验台是很好的东西,如何用好更重要。

     这是当时他们做试验的现场,有时候我们想象中,箱子里灌油,落到下部,下部的轴承没有问题,我们会这样想,事实不是如此,不转,油在底下。但箱子转起来,会搅油会甩,箱子里导油机构设计不合理,会甩上去的油多,留下来的油少,时间一长,底下的轴承反而没油了。


     跟齿轮传动性能保证的试验设备,我列了三个,接触斑点试验台我说过,传递误差测试台,还有振动噪音实验室,我不建议每个企业去买,费用很高,行业里有一两个就够了,不需要每家都做,这个投资要上千万。前面的接触斑点试验台是百万级的,大家应该要具备这样的能力。齿轮传递误差,如果发现有振动噪音问题,如何把振动噪音源找出来要做更细致的齿轮传递误差测量。

桥相对箱来说,是锥齿轮传动,更复杂,影响因素也更大。但从本质上讲,还是寿命跟噪音的问题。要把桥搞好,需要把整车厂联系起来才能做得好。桥也测试很多项目。

最后是总结,主要问题是寿命短、噪音大,解决方案是设计、试验开发、制造一体化,以实际的制造工艺和应用情况为基础进行设计,同时建立一定的试验调整,确定问题的根源,针对问题做不断的优化。这个思路希望能扩展到其他零部件,不光是箱、桥,谢谢大家。

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