汽車(chē)差速器半軸齒輪損壞原因分析和改進(jìn)措施

汽車(chē)在轉(zhuǎn)彎時(shí)，車(chē)輪做的是圓弧的運(yùn)動(dòng)，那么外側(cè)車(chē)輪的轉(zhuǎn)速必然要高于內(nèi)側(cè)車(chē)輪的轉(zhuǎn)速，存在一定的速度差，在驅(qū)動(dòng)輪上會(huì)造成相互干涉的現(xiàn)象，這就需要差速機(jī)構(gòu)。

現(xiàn)在汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)橋上都會(huì)安裝差速器。

布置在前驅(qū)動(dòng)橋（前驅(qū)汽車(chē)）和后驅(qū)動(dòng)橋（后驅(qū)汽車(chē)）的差速器，可分別稱為前差速器和后差速器，如安裝在四驅(qū)汽車(chē)的中間傳動(dòng)軸上，來(lái)調(diào)節(jié)前后輪的轉(zhuǎn)速，則稱為中央差速器。

具體工作原理就不詳細(xì)展開(kāi)說(shuō)了，值得注意的是，乘用車(chē)前驅(qū)的差速器和商用車(chē)后橋的差速器在工作原理上完全相同，差別就是乘用車(chē)用兩個(gè)行星輪+一根行星輪軸，載重貨車(chē)用四個(gè)行星輪+十字軸。

一般來(lái)說(shuō)差速器故障不多，乘用車(chē)的尤其少，故障多見(jiàn)于載重貨車(chē)，多是由于超載導(dǎo)致強(qiáng)度不足所致。

半軸齒輪是差速器的核心零件，其具有重合度大、傳動(dòng)平穩(wěn)性好及承載能力大等特點(diǎn)。

半軸齒因設(shè)計(jì)、制造及過(guò)載等原因，可能出現(xiàn)接觸疲勞、磨損與膠合及斷齒等故障，當(dāng)這些故障出現(xiàn)時(shí)將導(dǎo)致差速器失效，汽車(chē)無(wú)法正常行駛，甚至出現(xiàn)安全事故。

半軸齒輪制造工藝：

(1)鍛造：下料→磨外圓→車(chē)錐度→加熱→溫鍛

(2)預(yù)處理：正火處理→拋丸處理→磷化/皂化處理→冷校

(3)粗加工：鉆孔→粗車(chē)背錐→切邊→精車(chē)背錐→精車(chē)內(nèi)孔端面倒角

(4)拉花鍵

(5)熱處理：滲碳淬火→拋丸處理

(6)精加工：精車(chē)軸頸平面

(7)成品：產(chǎn)品終驗(yàn)→清洗涂油→包裝

一般半軸齒輪材料為20CrMnTiH GB/T 5216—2004，是性能較好的滲碳鋼，淬透性較高，經(jīng)滲碳淬火后具有硬而耐磨的表面與堅(jiān)韌的心部，具有較高的低溫沖擊韌性，焊接性中等，正火后可切削性良好。

稍好一些的材料可選用20CrMnMoH，淬透性要優(yōu)于上面的材料。

而在一些軍用等特種場(chǎng)合，由于重載十字軸承受交變載荷導(dǎo)致彎曲強(qiáng)度不足，而又由于空間所限無(wú)法在尺寸上加強(qiáng)，可以選用含Ni的材料，淬透性更強(qiáng)，在表面淬硬的同時(shí)，材料心部仍然保持良好的韌性，值得注意的是Ni材熱處理要求較高。

20CrMnTiH 化學(xué)成分：

碳 C ：0.17～0.23

硅 Si：0.17～0.37

錳 Mn：0.80～1.15

硫 S ：允許殘余含量≤0.035

磷 P ：允許殘余含量≤0.035

鉻 Cr：1.00～1.35

鎳 Ni：允許殘余含量≤0.030

銅 Cu：允許殘余含量≤0.030

鈦 Ti：0.04～0.10

1. 某半軸齒輪失效模式分析及改進(jìn)方法

用戶反饋有部分齒輪出現(xiàn)失效，其中較典型的失效齒輪見(jiàn)下圖。

可以判斷該失效形式為斷齒失效，是齒輪最嚴(yán)重的失效形式，失效后差速器不能實(shí)現(xiàn)差速，容易發(fā)生事故造成人員傷害。

(1)金相分析

對(duì)失效齒輪進(jìn)行熱處理效果檢測(cè)，數(shù)據(jù)顯示該齒輪熱處理符合產(chǎn)品技術(shù)要求。

為了準(zhǔn)確判斷斷齒原因，對(duì)端口進(jìn)行了金相觀察，斷口未見(jiàn)疲勞破壞。

輪齒斷口無(wú)宏觀可見(jiàn)的塑性變形，放射區(qū)占斷口的很大部分，微觀主要為沿解理面的穿晶斷裂，斷口形貌為準(zhǔn)解理+撕裂。

表明該齒輪未見(jiàn)疲勞斷裂特征，為一次性斷裂，斷齒不是因?yàn)槠趶?qiáng)度不足而斷齒，無(wú)初始裂紋，齒面沒(méi)有折疊，從而可以判斷斷齒是因?yàn)檫^(guò)載造成的，即齒輪強(qiáng)度不足造成斷齒。

(2)故障再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)及強(qiáng)度校核

經(jīng)計(jì)算，驅(qū)動(dòng)橋總成靜扭后備系數(shù)2.21，滿足QC/T 534—1999

靜扭結(jié)果為半軸齒輪斷裂，而非半軸

根據(jù)驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)原則，驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)應(yīng)是半軸

試驗(yàn)結(jié)果顯示半軸齒輪破壞時(shí)候的輸入轉(zhuǎn)矩1670Nm

此時(shí)差速器殼的轉(zhuǎn)矩為1670×38/9=7051.11 Nm

半軸齒輪承受的轉(zhuǎn)矩為7051.11/2=3525.56 Nm

根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，差速器的轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)取0.6

則半軸齒輪實(shí)際能承受最大轉(zhuǎn)矩為754×38/9×0.6=1910.33 Nm

那么半軸齒輪的后備系數(shù)為3 525.56/1910.33=1.85

查QC/T 29108—1993，汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋差速器行星、半軸齒輪強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)應(yīng)≥2.5

因此，可得出造成半軸齒輪強(qiáng)度不足的根本原因在于設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足

(3)結(jié)構(gòu)改進(jìn)及有限元分析

按驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)原則最薄弱的部件為半軸，根據(jù)與該齒輪相配合的半軸的靜扭實(shí)驗(yàn)破壞的最大轉(zhuǎn)矩后備系數(shù)2.63，那么更改結(jié)構(gòu)后的半軸齒輪的后備系數(shù)至少要大于2.63

為了保證齒輪強(qiáng)度后備系數(shù)有一定的富余量，因此設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)半軸齒輪強(qiáng)度后備系數(shù)取K=3

半軸齒輪有限元分析承受最大轉(zhuǎn)矩時(shí)，最大應(yīng)力＜980MPa

采用ANSYS分析了半軸齒輪的受力情況，其有限元分析得到的應(yīng)力集中點(diǎn)和故障件的破壞點(diǎn)位置相同。

經(jīng)過(guò)嚙合區(qū)位置模擬和紅丹粉檢測(cè)，應(yīng)力集中點(diǎn)和嚙合區(qū)處于同一區(qū)域，導(dǎo)致齒輪承載能力差。

為了提高齒輪強(qiáng)度，對(duì)齒輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，如圖下圖所示，在輪齒上下端增加了加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)：

應(yīng)力點(diǎn)集中在大端齒頂和小端平面與面錐相交處

當(dāng)小端加強(qiáng)筋直徑時(shí)，小端平面與面錐相交處（故障件破壞點(diǎn)）的應(yīng)力點(diǎn)消失，只存在大端齒頂處的應(yīng)力點(diǎn)

此時(shí)半軸齒輪承受的轉(zhuǎn)矩值為7162N·m（按設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)定的目標(biāo)加載的轉(zhuǎn)矩），這時(shí)的最大應(yīng)力點(diǎn)的應(yīng)力值為592.9MPa，小于980MPa，有一定的強(qiáng)度富余量。

(4)改進(jìn)后的齒輪效果驗(yàn)證

改進(jìn)后的齒輪經(jīng)用戶使用后，在服役期內(nèi)未出現(xiàn)輪齒斷裂失效現(xiàn)象，產(chǎn)品達(dá)到用戶使用要求。

(5)心得

◆采用有限元分析驗(yàn)證齒輪設(shè)計(jì)，建立仿真模型，設(shè)定變量，將模型通過(guò)有限元分析，分析得到結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，用于開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品時(shí)，作強(qiáng)度理論分析，能有效地保證半軸齒輪設(shè)計(jì)強(qiáng)度，避免差速器故障，可縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，減少試制和試驗(yàn)浪費(fèi)，提高一次開(kāi)發(fā)成功率。

◆當(dāng)確認(rèn)設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足時(shí)，首先考慮局部加強(qiáng)的辦法，盡量避免增大模數(shù)放大尺寸等導(dǎo)致更大的設(shè)計(jì)變更。

2.差速器常見(jiàn)失效模式及原因分析

在車(chē)輪直線行駛時(shí)，差速器齒輪磨損率較低。

但污濁的潤(rùn)滑油會(huì)使齒面、齒輪止推面、內(nèi)孔磨損加速，止推墊圈、殼體止推面、內(nèi)孔磨損加速。

在修理中調(diào)整間隙不當(dāng)會(huì)使半軸齒輪和行星輪在傳動(dòng)中沿軸線方向向后位移，造成齒輪嚙合間隙過(guò)大，則嚙合異常。

齒輪長(zhǎng)期嚙合間隙過(guò)大就必然形成齒面臺(tái)階、畸形等，這樣一來(lái)差速器齒輪本身磨損加速了，而且導(dǎo)致十字軸、差速器殼一連串的損傷。

差速器齒輪非正常磨損后，行星齒輪在工作時(shí)出現(xiàn)前后竄動(dòng)、左右擺差，半軸齒輪也在工作時(shí)前后竄動(dòng)、左右擺差，當(dāng)行星齒輪沿半軸齒輪異常傳動(dòng)時(shí)，使十字樞軸受力不均而損傷，同時(shí)止推墊圈和殼體內(nèi)孔也加速磨損。

當(dāng)差速器齒輪不旋轉(zhuǎn)工作時(shí)，也就是車(chē)輛直線行駛時(shí)，在傳動(dòng)力變化的情況下齒輪與齒輪相互沖擊，造成十字軸、止推墊圈、差速器殼體加劇損傷。

由此可見(jiàn)，差速器齒輪過(guò)分磨損以后，不論差速工作與否，其影響都是非常大的。

行星齒輪的破碎、十字軸或一字橫軸的折斷，往往先是齒輪過(guò)分磨損，然后十字軸損傷或折斷，使得整個(gè)差速器徹底失效。

3.差速器故障簡(jiǎn)易檢測(cè)方法

檢查差速器行星齒輪與半軸齒輪的嚙合間隙前，應(yīng)先將一邊的半軸齒輪及其止推墊圈，以及十字軸、行星齒輪及其止推墊圈等裝入一邊的半殼內(nèi)，并用夾具將十字軸與半殼夾緊。

再將行星齒輪經(jīng)止推墊圈貼于半殼，將千分表觸頭靠近行星齒輪大端的齒面，然后將相近的另外兩行星齒輪以不同的轉(zhuǎn)動(dòng)方向?qū)⑵淇ㄋ?，以防半軸齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。

這時(shí)，來(lái)回輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)行星齒輪，即可測(cè)出該齒輪與半軸齒輪的嚙合間隙，但測(cè)定時(shí)應(yīng)測(cè)量?jī)牲c(diǎn)或四點(diǎn)，取其平均值，此間隙一般應(yīng)在0.20~0.50mm范圍內(nèi)。

一邊檢查完后，以同樣方法檢查另一邊。

檢查時(shí)，若四行星齒輪與某邊半軸齒輪的嚙合間隙相近但都不符合要求，可用更換不同厚度的半軸齒輪止推墊圈予以調(diào)整。

該止推墊圈厚度的改變，對(duì)各行星齒輪同另一邊的半軸齒輪的嚙合間隙無(wú)任何影響。

若僅某一行星齒輪與該邊半軸齒輪的嚙合間隙不符合要求，可用更換該行星齒輪不同厚度的止推墊圈調(diào)整。

但這一止推墊圈厚度的改變，將影響該行星齒輪與另一邊半軸齒輪的嚙合間隙，因此，調(diào)整時(shí)必須注意這一情況。

此外，還應(yīng)注意的是有些汽車(chē)其行星齒輪和半軸齒輪的嚙合間隙不用上述方法檢查，而是在差速器的組裝工作快完畢，擰緊差速器殼的固定螺栓使之呈半緊固狀態(tài)時(shí)，從差速器殼窗口插入厚薄規(guī)，測(cè)量半軸齒輪后面與差速器殼之間的間隙，來(lái)確定行星齒輪與半軸齒輪的嚙合間隙是否正常。

此間隙應(yīng)為0.23~0.32mm，如不在這一范圍內(nèi)，應(yīng)換用不同厚度的止推墊圈調(diào)整。

調(diào)整墊圈有多種不同的厚度，調(diào)整時(shí)可根據(jù)檢查后的實(shí)際需要選用。