浅析DOE对齿轮疲劳加工参数的优化

孟凡奇 1 张田田 2 郭吉月 3

摘 要 伴随着经济快速发展，人民生活水平快速提高，汽车市场在迅速扩大，汽车行业迎来了前所未有的新机遇。现代汽车除满足使用寿命的要求外，还应满足性能、外观、安全、价格、环保、节能等方面的需要。新材料使用应运而生，新的材料带来新的问题，如工业塑料齿轮等经过长时间疲劳工作会磨损，磨损后间隙增大会带来异响。异响让驾驶者的心理产生“恶感”，降低对品牌的认可度。本文从消除新材料零件疲劳后间隙的角度，提出一些简单的计划划方案。

关键词 汽车业 DOE

一、汽车业新材料齿轮运用情况

据统计汽车平均塑料用量可能达到500KG/辆以上，约占占整车的1/3，特别是双碳”背景下，电动化、智能化、轻量化成为必然趋势。汽车整车重量每减轻10%同比就会节省8%-10%的燃料，其中大部分为非功能的装饰件，但是有些高强度工业塑料承担了传动功能，这些传动件在长期工作中会产生蠕变，进而增大了间隙，在车辆行驶过程中会因为共振产生异响。

为了解决该异响，经过长期研究创新应用新的工艺方式，其原理就是在高速；高扭矩；高压力下跑合，提前让塑料传动件进入疲劳后的蠕变极限，极限变形以后不再形变换变化很小。这样再通过装配过程把零件压紧消除掉间隙。达到解决问题的目的。

例：某传动齿轮为塑料件，配合的对手件为一个金属材质零件。首先获取其在15万公里的疲劳磨损状态，N个样本，平均磨损蠕变深度为0.04mm。新工艺过程就是短时间内把零件磨压到极限的变形状态，考虑节拍在一分钟内达到其效果。

首先通过头脑风暴鱼骨图等工具列出其产生蠕变的因子，通过因果矩阵分析，得出齿轮啮合压力；施加的扭矩；转速；还有时间一共5个因子是工艺过程中可控制的因子。另外还有不同批次的齿轮，不同批次对手件属于不可控制因子，（齿轮为进口件，一般海运周期为3个月，极端情况如苏伊士运河堵塞，周期会更长，批次差异不好控制，整改更麻烦，对手件国内供应商，整改稍微简单一点，也存在批次差异，所以把两个因子作为噪声因子。即不可控因子。）如何使各因子组合起来达到最佳效果那？我们选择田口DOE作为理论工具。

控制因子5个两水平，时间（28,36）秒；扭矩（70Nm， 80Nm ）；速度（216°，236°）；压力（450N，500N）；油脂（无，有）。噪声因子2个，不同批次齿轮，不同批次的对手件。采用L8正交表，内表放置控制因子，外表是噪声因子。排列及结果如下：

外表 内表				对手件	-	+	-	+
				齿轮	-	-	+	+
					1	2	3	4
时间	扭矩	速度	压力	油脂	Y1	Y2	Y3	Y4
1	1	1	1	1	0.037	0.042	0.0318	0.032
1	1	1	2	2	0.0518	0.0478	0.0458	0.046
1	2	2	1	1	0.037	0.0333	0.0375	0.031
1	2	2	2	2	0.0468	0.0605	0.0505	0.041
2	1	2	1	2	0.045	0.0413	0.044	0.0438
2	1	2	2	1	0.053	0.0443	0.0445	0.0363
2	2	1	1	2	0.0435	0.0493	0.0425	0.0438
2	2	1	2	1	0.0573	0.0408	0.0578	0.0368

得到结果见下图（minitab软件输出）：

信噪比响应表 望大

水平 时间 扭矩 速度 压力 油脂

1 -27.79 -27.51 -27.36 -28.16 -28.13

2 -27.10 -27.37 -27.53 -26.72 -26.76

Delta 0.69 0.14 0.17 1.44 1.37

排秩 3 5 4 1 2

考虑节拍，最合适的参数设置是：时间28秒；扭矩70Nm；速度216转/分；压力500N；有油脂。

预测：信噪比-26.4337；均值0.04985；标准差0.002782；Ln(StDev) -5.88434。

从验证结果看出，对跑合深度影响最大的是压力，油脂（试验中发现没有油脂情况下压力过大会造成齿轮跑花，造成报废，增加油脂则无此情况。），其次是时间和扭矩，速度是一个反作用因子，这样固定下来工艺参数为时间28秒；扭矩70Nm；速度216转/分；压力500N；增加油脂。

过程经过油脂调和不仅提升了深度，也把跑花的现象降低到0，油脂像疫苗一样曾加了涡轮的稳健性，使其全部安全通过跑合。同样油脂增加了工装的稳健性，使其寿命由300提升至500，降低了损耗，工装寿命增加减少了更换工装时间，提升了产量。工艺参数变化再辅以油脂使其对零件环境不在挑剔，信噪比提升，抗干扰能力更强。使用三流的零部件组装一流的产品，稳健，稳健的田口设计。

新工艺采用SPC监控，生产半年效果良好。

三、结论

汽车行业飞速发展，新的材料运用带来新的问题，DOE是应对这一挑战的重要工具。全球200多万人的实践已经证明了试验设计DOE的益处，在33个国家的350多个企业中获益主要表现在：

（1）质量改进从2 ： 1达到10 000 ： 1

（2） CPK从0. 5和1. 0分别增加到2. 0和5. 0。

（3） 在检测和试验过程中，几乎消除厂产品的擦伤、返工和降级，向零缺陷和100%的生产率稳步前进。

（4） 质量差的产品造成的浪费迅速下降了一个数量级，而此前其占产品销售额的10% 20%，每天毎人100美元200美元。

（5） 提高客户满意度、忠诚度，加强了与客户的长期联系。

总之好处多多，不一一列举，让DOE为中国制造助力。

参考文献：

[1]《中国制造2025》.

[2]《六西格玛管理》第二版.

[3] 世界级质量管理工具DOE(中文版第二版)

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