張龍，胡烜華，席飛，趙飛飛，楊樸

（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710200）

前言

滑動(dòng)嚙合套是汽車驅(qū)動(dòng)橋輪間差速鎖機(jī)構(gòu)的重要件，其主要功用是傳力，其內(nèi)花鍵與半軸連接，撥叉撥動(dòng)其左右移動(dòng)，使其端面齒與輪間差速器殼體相接合或分離，接合時(shí)輪間差速鎖起作用，大大提高整車在惡劣路況下的通過(guò)能力，其承載能力決定了輪間差速鎖起作用時(shí)所能承受的最大驅(qū)動(dòng)力矩。隨著整車驅(qū)動(dòng)性能提升的要求，現(xiàn)有滑動(dòng)嚙合套斷裂故障時(shí)有發(fā)生，在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面已經(jīng)不能滿足使用要求。

本文通過(guò)對(duì)售后失效件的分析確定了其失失效模式，針對(duì)失效模式進(jìn)行原因分析，利用有限元仿真對(duì)現(xiàn)有嚙合套進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，根據(jù)分析結(jié)果以及失效行駛對(duì)現(xiàn)有嚙合套進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)。通過(guò)多輪仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，確定了嚙合套最終的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，并完成了改進(jìn)結(jié)構(gòu)的切換。售后統(tǒng)計(jì)，切換后輪間差速系統(tǒng)故障索賠降低了50%以上，證明了此次改進(jìn)的有效性。

1 問(wèn)題描述

某橋型主減故障時(shí)有發(fā)生，通過(guò)分析主減故障模式主要有：錐齒輪打齒、導(dǎo)向軸承碎裂、差殼連接螺栓掉頭及磨損、滑動(dòng)嚙合套碎裂等故障。對(duì)舊件主減進(jìn)行禍?zhǔn)准治觯?/p>

（1）根據(jù)各部件在主減總成內(nèi)所處的位置，因嚙合套位置較高，故已經(jīng)損壞的導(dǎo)向軸承、主被動(dòng)齒輪碎塊不可能越過(guò)差速器總成損壞所處位置較高的嚙合套。

（2）嚙合套若損壞后，其碎塊將會(huì)掉入主減總成底部，隨著主減被動(dòng)齒輪的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)起來(lái)，進(jìn)而造成主減內(nèi)其他件的損壞。

當(dāng)嚙合套由于非預(yù)期使用等原因碎裂后，主減速器總成不同程度的伴隨有錐齒輪打齒、差殼連接螺栓掉頭及磨損、導(dǎo)向軸承碎裂等故障發(fā)生。售后反饋有116 起主減速器總成故障，其中注明有嚙合套斷裂的故障共50 起，嚙合套斷裂伴隨有上述故障發(fā)生。

可以看出，失效主減集中表現(xiàn)為嚙套斷裂后所引起的一系列磕碰、斷裂損壞。因而要解決該橋型主減失效問(wèn)題首要是解決嚙合套的斷裂。

主要失效模式為齒根疲勞斷裂，見(jiàn)圖1，裂紋源位于端面齒根部，距端面齒外側(cè)約1/4 至1/3 齒長(zhǎng)，斷口沿齒根側(cè)進(jìn)行擴(kuò)展，直至花鍵。

圖1 失效照片

2 原因分析

根據(jù)失效模式，對(duì)失效件符合性進(jìn)行了排查：

（1）斷裂滑動(dòng)嚙合套端面齒根部無(wú)圓角或圓角較小，過(guò)渡尖銳，這樣會(huì)引起嚴(yán)重的應(yīng)力集中，見(jiàn)圖2。

圖2 根部無(wú)圓角或圓角小

（2）嚙合齒側(cè)面的接觸印跡不均勻，一般偏向于外側(cè)，從而導(dǎo)致偏載現(xiàn)象，見(jiàn)圖3。

圖3 嚙合偏載

3 改進(jìn)措施

為了防止滑動(dòng)嚙合套端面齒早期疲勞斷裂首要是降低根部及其附近的應(yīng)力或者提高材料的強(qiáng)度，其次應(yīng)盡可能防止偏載發(fā)生。

（1）加大端面齒根部圓角，盡可能減小應(yīng)力集中，改善粗糙度，為了增加根部過(guò)渡圓角，將齒高適當(dāng)增加。

（2）鑒于相配對(duì)的固定端面齒未斷裂，可將該端面齒厚度適當(dāng)減薄，盡量做成等強(qiáng)度匹配。

（3）端面齒精鍛成型，保證加工流線完整，側(cè)面按圖紙加工體現(xiàn)凸面修形結(jié)構(gòu)，以改善嚙合接觸印跡，減少嚴(yán)重偏載現(xiàn)象。

（4）齒根拋丸強(qiáng)化，并進(jìn)行位置度、印跡檢查，防止偏載。

4 有限元分析

在有限元分析軟件中劃分好網(wǎng)格，建立滑動(dòng)嚙合分析模型，根據(jù)實(shí)際工況，對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算，根據(jù)分析結(jié)果，提出了改進(jìn)方案。如圖4 所示，將根部圓角加大，用周圈筋將齒包裹起來(lái)，連接成整體式，剛性和強(qiáng)度更好。

圖4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

如圖5 所示，應(yīng)力最大部位與失效件斷裂起始相符，驗(yàn)證了分析模型是符合實(shí)際工況的。

圖5 分析結(jié)果

通過(guò)改進(jìn)，在校核工況下，關(guān)注區(qū)域應(yīng)力降低15%，見(jiàn)表1，小于材料屈服強(qiáng)度，嚙合套安全系數(shù)大于1.3。

表1 改進(jìn)前后應(yīng)力對(duì)比

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)嚙合套實(shí)際工作狀態(tài)，我們進(jìn)行了臺(tái)架驗(yàn)證對(duì)比，確認(rèn)改進(jìn)方案是否有效。

表2 疲勞次數(shù)

通過(guò)臺(tái)架驗(yàn)證可以得出，在試驗(yàn)工況下，改進(jìn)結(jié)構(gòu)通過(guò)臺(tái)架驗(yàn)證。因改進(jìn)效果顯著，對(duì)該結(jié)構(gòu)組織市場(chǎng)驗(yàn)證，通過(guò)售后數(shù)據(jù)對(duì)比，故障索賠降幅在50%以上，達(dá)到了改進(jìn)目的。

6 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)售后失效件的分析確定了其失效模式和失效原因，運(yùn)用有限元仿真的方法對(duì)嚙合套進(jìn)行了分析和結(jié)構(gòu)改進(jìn)，經(jīng)過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。在后續(xù)的市場(chǎng)驗(yàn)證中也表現(xiàn)良好。本文的分析結(jié)果對(duì)嚙合套及相關(guān)件的改進(jìn)有一定的指導(dǎo)作用。