针对商用车变速箱台架试验过程中出现的齿轮点蚀故障，本文首先从齿轮材料性能、润滑状态、受力状态等方面确定是否满足设计要求，其次通过接触斑点试验和仿真分析结果确定失效故障是齿轮啮合偏载导致，最后在齿轮宏观参数不变的情况下，调整齿轮齿向鼓形量和螺旋角使接触斑点处于齿面中部，并通过了台架疲劳试验。结果表明，在商用车变速箱齿轮点蚀故障中，通过微观修形可有效降低点蚀失效风险，为商用车变速箱可靠性提升提供了一种解决思路。

商用车变速箱设计完成后，其齿轮几何参数、材料及热处理工艺均已确定，并通过理论校核满足设计要求。然而在台架疲劳试验过程中，齿轮齿面仍会出现点蚀失效故障。吴茂瑞等对某新能源卡车变速箱齿轮疲劳点蚀失效进行分析，通过对齿轮齿面修形解决了点蚀问题；张庆采用润滑改进、微观修形等方式，解决了混合动力变速箱主减速齿轮点蚀问题，为变速箱齿轮点蚀故障改进提供依据；张志成等针对行星减速器太阳轮疲劳点蚀问题，建立仿真模型通过降低齿面接触应力和增大齿轮啮合刚度消除了齿轮点蚀故障。当前在齿轮参数与工况无法大幅调整的前提下，微观修形已成为改善啮合特性、抑制点蚀最经济且有效的技术手段。

因此，本文以在疲劳试验中出现点蚀的变速箱齿轮为研究对象，开展微观修形设计与仿真验证，提高齿轮接触疲劳寿命，为商用车变速箱齿轮点蚀故障的工程解决提供理论依据与技术参考。

某商用车变速箱一挡工况的动力传递路线如图1所示，在一挡台架疲劳试验过程中，一挡齿轮副发生点蚀故障如图2所示。该故障表现为齿面出现凹坑状的微小剥落坑，从外观上类似“麻点”，称之为点蚀。从失效位置观察，该点蚀区域主要集中在齿宽右侧偏齿面中部，沿齿高方向位于啮合工作区段内，未出现明显的齿顶、齿根剥落。

图1 动力传递路线

图2 齿轮点蚀故障图片

为明确齿轮失效机理，本文首先对失效齿轮进行材料性能与润滑状态检测。结果表明，故障齿轮的齿面硬度、有效硬化层深度及变速箱润滑油品质均满足设计与标准规范要求，可排除材料与润滑因素导致失效的可能。从力学特性与啮合机理分析可知，该齿轮副为斜齿轮结构，在传递转矩过程中会产生附加轴向力，在持续轴向载荷作用下，齿轮及轴系产生一定程度的扭转变形与齿向偏斜，进而引发齿轮副啮合偏载，导致齿面出现显著的局部应力集中现象。在循环交变载荷的持续作用下，高应力区域迅速萌生接触疲劳微裂纹，裂纹在润滑油液压楔效应与交变应力耦合作用下不断扩展贯通，最终造成齿面金属剥落，形成典型的点蚀失效。

在一挡工况下，对原状态变速箱进行接触斑点试验，测试结果如图3所示。结果表明，该对齿轮副在一挡工况下存在齿轮接触偏载现象（左侧齿面没全部啮合），进一步验证了上述齿轮点蚀故障不是偶然现象，是齿轮接触偏载导致局部应力增大，随着交变疲劳载荷作用，最终发生点蚀故障。

图3 原状态接触斑点测试结果

基于MASTA软件建立故障变速箱仿真模型，按照台架疲劳试验工况施加载荷与转速，完成齿轮副接触斑点仿真，仿真结果如图4所示。该齿轮存在明显的啮合偏载现象，齿轮接触区域集中于齿宽右侧位置，齿面接触分布严重不均。仿真结果的啮合状态与台架试验中出现的齿面点蚀失效位置非常吻合，验证了仿真模型的准确性。基于上述仿真分析结果，本文对齿轮副开展针对性微观修形设计，以优化接触斑点分布、均化载荷。

图4 原状态接触斑点仿真结果

齿面的微观修形分为齿形修形和齿向修形，齿形修形包括齿顶修缘、齿形鼓形量修形、对角修形等，目的是减小齿面啮合冲击和传递误差。齿向修形包括齿向鼓形修形和螺旋线修形，目的是优化齿轮接触斑点，减小偏载现象。通过观察本齿轮点蚀发生区域和仿真分析结果，点蚀区域主要集中在齿宽右侧偏齿面中部，沿齿高方向位于啮合工作区段内，故只对齿轮进行齿向修形。

按照如下公式计算齿向鼓形量：

其中fHβ为螺旋线倾斜偏差，与齿轮精度等级相关，查阅机械设计手册可得，此处fHβ=8.5μm，经上述公式计算并取均值可得齿向鼓形量为16μm。

将上述齿向鼓形修形量代入仿真模型计算后，接触斑点分布仍未达到理想状态，因此，进一步采用螺旋线修形优化接触斑点。在MASTA软件中对螺旋线修形量开展多组参数化迭代分析，以接触斑点居中、载荷分布均匀为优化目标，不断对比啮合印迹与应力分布。经仿真寻优，当螺旋线修形量取值为80μm时，齿轮副接触斑点分布于齿面中部区域，如图5所示。优化后偏载现象得到显著改善，最终确定该参数为最优螺旋线修形量。将螺旋线修行量转化为螺旋角，具体公式如下：

其中，β为齿轮修形后的螺旋角；

∆L为螺旋线修行量；B为齿宽；β为修形前的螺旋角。把螺旋线修形量带入上述公式，经计算可得，修形后的螺旋角为25.045°（原方案螺旋角25°）。

综上所述，在齿轮宏观参数不变的情况下，通过调整齿轮齿向鼓形量为16μm、齿轮螺旋角为25.045°，保证接触斑点处于齿面中部。

图5 修形后接触斑点仿真结果

在修形后的一挡齿轮齿面上涂抹蓝色的油漆，并装配变速箱，按照一挡试验工况，对修形后的一挡齿轮副进行接触斑点试验，试验完成后拆解变速箱，获得修形后的齿轮接触斑点结果如图6所示。与原状态齿轮的接触斑点结果相比，修形后的齿轮齿面接触区域明显增大，几乎全部齿面都发生接触（齿面蓝色油漆基本全部被磨掉），齿面左右两侧没有发生偏载现象。接触斑点测试表明：利用上述仿真结果得出的齿轮修形方案进行接触斑点测试，测试的结果与仿真结果基本一致。仿真的修形方案可有效改善接触痕迹，为下一步进行变速箱台架疲劳试验提供理论和试验支撑。

图6 修形后接触斑点测试结果

修形后的一挡齿轮副装配变速箱，按照一挡试验工况进行台架疲劳试验，台架试验完成后拆解变速箱，得到修形后的一挡齿轮副接触痕迹如图7所示。修形后的齿面啮合痕迹正常，未出现类似麻点的点蚀故障，满足疲劳试验规范要求。疲劳试验表明：在齿轮宏观参数不变的情况下，通过合理的齿向螺旋线和鼓形量修形可以有效解决齿轮偏载导致的点蚀故障。

图7 修形后疲劳试验结果

针对变速箱台架试验中出现的齿轮点蚀故障，本文通过齿轮接触斑点试验与齿轮仿真分析，验证了齿面偏载是引发接触疲劳点蚀的主要原因。在不改变齿轮宏观设计参数的前提下，通过对齿轮副进行齿向微观修形，有效消除了啮合偏载。经台架试验验证，优化后的齿轮副顺利通过疲劳试验。结果表明，齿轮微观修形可显著降低齿面点蚀风险、提升接触疲劳寿命。