随着国家对基础建设的不断投入，以及物流行业的不断发展，社会对商用车的需求和要求都在不断提高。我国地域辽阔，地理环境复杂多变，变速器作为商用车传动系统的核心部件，在实际运行中极易发生故障。约60% 的变速器故障是因为各种齿轮磨损引发的。齿轮单一部位的磨损会因为磨损迁移以及磨粒的影响而损害其他部位。

变速器因故障而导致报废是磨损不断堆积产生的结果，在进行传动齿轮的生产和装配时会因为人机料法环等因素产生误差导致故障。细微的故障或损伤会使变速器参数偏离最初设计值，并在变速器运转中不断加剧损伤。每台变速器的故障有所不同，所以要对有初始缺陷的变速器的磨损状态进行识别和分析，研究不同的缺陷对磨损进程的影响，针对特定的磨损状态进行识别和管理。

铁谱分析技术就是通过提取和分析润滑油油液中的磨损颗粒，得到齿轮变速传动机构不同零部件所处的磨损状态，针对特定的磨损部位的磨损状态对齿轮变速传动机构进行维护和保养的一种技术。

对比动力学仿真通过实验研究齿轮初始缺陷对齿轮磨损进程的影响，所得到的实验数据会更符合真实的工作状态。所以本文通过对齿轮设置不同属性的初始缺陷，再使用铁谱分析技术对齿轮的磨损进程进行研究。

齿轮实验

1. 实验方案

齿轮初始缺陷设置的位置分别在齿顶、分度圆和齿根三个部位，切割的划痕深度为0.01 mm。在特定的齿轮试验台分别对存在初始缺陷的齿轮和完整的齿轮进行对比实验，设定转速为1 200 r/min，载荷为225 N，实验所用的润滑油为Caltex WhiteOilPharma 32。在实验过程中实验数据的采集主要是润滑油的采集和不同属性齿轮磨损齿面的采集，润滑油的采集为实验台不停机取样，齿轮表面的取样位置为设置初始缺陷的齿轮，以及远离设置初始缺陷齿轮的齿轮表面。

2. 实验数据分析

（1）齿轮表面形貌分析

通过对比可以看出图1 中齿轮表面已经发生了油楔理论中所描述的现象，齿轮表面出现了很多横向的沟槽。在两齿轮不断啮合运动时，沟槽内的填充物向两侧挤压，会导致沟槽的不断扩大，以及沟槽边界位置脱落形成大磨粒，大磨粒在齿轮运行的过程中又会对齿轮表面造成损伤产生新的划痕，进而发展成为大沟槽对齿面造成更大的损伤。图2 表面的沟槽则明显比图1 中的轻微，因为设置的初始缺陷储存了润滑油中因为高温和外来杂质产生的油泥，起到了净化润滑油的作用，此处的初始缺陷部位在齿轮啮合的过程中接触也较少。图3 中的缺陷表面则发生了严重的塑性变形，两侧金属向内延展脱落，损伤部位发生磨损迁移，周围的区域也造成了损伤，图4 则因为扩张和受力作用直接发生了断齿。

通过上述分析可以得出齿轮表面的初始缺陷对齿轮表面磨损形貌的影响较大，位置不同的缺陷在齿轮磨损过程中所起的作用也不同，初始缺陷在齿轮的运行中也能起到一些正向的作用，但不能掩饰其对齿轮的损伤。

（2）磨粒谱片分析

通过对比图5 中存在初始缺陷的齿轮与完整齿轮铁谱图，此时处于磨损初期的齿轮产生的磨粒较少但含有较大的磨粒，两图的差别并不明显，初始缺陷对磨损初期的齿轮影响较小。

图6 可以看出随着实验的进行，此时污染聚合物不断增加，磨粒链变得更密集，磨粒的数量已经有了明显的增加，说明齿轮的磨损进入了磨损后期。对比存在初始缺陷齿轮与完整齿轮的磨粒数与磨粒链，初始缺陷加速齿轮磨损进程的影响已经体现出来，初始缺陷存在的齿轮污染聚合物和磨粒的数量要更多。

通过图7 可以看出，此时磨粒链的宽度和密度都有了明显的增加，磨粒的数目虽然有了减少，但是磨粒的直径并没有明显的变化，说明此时油液中已经含有高浓度的污染物，齿轮的磨损已经进入了磨损后期。通过对比，得出有无初始缺陷对齿轮磨损的进程有着明显的影响，存在初始缺陷齿轮断齿阶段铁谱图磨粒链的密度和磨粒的直径能体现出，存在初始缺陷的齿轮比完整齿轮中齿轮磨损程度要更加严重。

通过以上实验结果表明，初始缺陷会对齿轮的初期磨损产生轻微影响，但随着运行过程的推进，磨损状态的不断累积，初始缺陷对齿轮磨损进程的影响程度会不断提高，最终加剧齿轮的损伤，严重缩短其使用寿命。

（3）齿面损伤分析

齿轮表面的磨损是各种磨损形式相互促进相互干涉同步进行的，齿轮表面的某一处发生损伤后，会影响周围区域的受力情况及磨损进程。如图8 左图所示，当齿轮的一侧发生了严重的点蚀损伤，在损伤的附近发生了磨损迁移产生了新的点蚀，磨损迁移的发生大大恶化了齿轮表面的磨损环境。图8 右图中的点蚀损伤中充满污染聚合物，在齿轮啮合受力的过程中，会不断挤压点蚀凹坑一侧，导致凹坑一侧发生凸起变形脱落，损伤凹坑不断扩张。

这些损伤在碾压扩张中已经向摩擦沟槽方面发展，在两侧也产生了裂纹，任由这些现象的发展会有大量磨粒的产生，污染摩擦环境，进入恶性循环导致齿轮报废。

结论

通过对存在初始缺陷的齿轮与无初始缺陷的齿轮进行运行和采集数据对比分析，得到以下结论：

1）一定位置一定属性的初始缺陷会储存齿轮磨损过程中产生的磨粒和其他的污染聚合物净化周围的磨损环境，也会储存润滑油优化周围齿面的润滑，对变速器齿轮的磨损产生抑制作用，但绝大多数的初始缺陷会加快变速器齿轮磨损进程的发展，使齿面产生严重的塑形变形，缺陷对齿轮磨损的影响与缺陷所在部位的受力和啮合时的接触情况有直接关系。

2）初始缺陷对变速器齿轮初期磨损产生的磨粒属性影响较小，在磨损后期有初始缺陷的变速器齿轮会产生更多直径较大的磨粒和其他的氧化污染物，影响齿轮润滑环境。

3）齿轮的润滑环境是影响齿轮磨损的重要因素，污染聚合物会填充到表面的缺陷及损伤部位，在齿轮啮合的过程中不断挤压填充物，最终造成该部位扩张以及周围受力环境的改变产生磨损迁移，润滑油的质量在变速器的运行过程中十分重要。

4）在变速器齿轮不同位置的初始缺陷中，齿根位置的初始缺陷对齿轮的磨损进程的恶化影响最大，会大大加剧齿轮发生断齿的概率，造成变速器的报废。分度圆附近的初始缺陷在齿轮啮合的过程中不断发生挤压、凸起、形变及脱落，会大大加剧齿轮的磨损，造成磨损迁移。