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        某汽車差速器故障原因分析及對策

        2020-07-29 10:11:42劉麗新湯一飛屠有余徐占單華強(qiáng)
        汽車文摘 2020年8期
        關(guān)鍵詞:齒輪軸差速器半軸

        劉麗新 湯一飛 屠有余 徐占 單華強(qiáng)

        (中國第一汽車股份有限公司 研發(fā)總院,長春 130013)

        主題詞:差速器 失效模式 極限差速 試驗(yàn)驗(yàn)證 對策

        1 前言

        差速器是汽車傳動系統(tǒng)的一個重要零部件,它將發(fā)動機(jī)的扭矩傳遞給驅(qū)動車輪,當(dāng)汽車在轉(zhuǎn)彎行駛或者不平路面上行駛時(shí),可以使得兩側(cè)車輪以不同的角速度滾動,從而保證兩側(cè)車輪與地面之間做純滾動運(yùn)動,減少輪胎的磨損和動力消耗,提高汽車的通過性。汽車差速器被汽車行業(yè)的專家稱為“小零件大功用”[1]。

        差速器故障的原因一般比較復(fù)雜,嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致整車無法行駛,甚至?xí)霈F(xiàn)安全事故,其故障機(jī)理的分析和改進(jìn)對策的制定對于優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高產(chǎn)品質(zhì)量具有重要的意義。

        2 故障現(xiàn)象描述

        某車輛在冰雪路面行駛了2 h后,次日車輛啟動時(shí)報(bào)變速器故障,整車無法行駛。拆解后發(fā)現(xiàn)差速器行星軸與行星齒輪配合處(行星軸外表面)磨損嚴(yán)重,見圖1,半軸齒輪墊片、行星齒輪墊片磨損嚴(yán)重,見圖2,差速器鎖銷斷裂,見圖3。

        圖1 行星軸外表面

        圖2 半軸齒輪與行星齒輪墊片

        圖3 鎖銷斷裂

        3 故障原因分析

        3.1 故障機(jī)理分析

        綜合分析上述故障表現(xiàn),根據(jù)差速器結(jié)構(gòu)和工作原理可以判定行星齒輪軸與行星齒輪嚴(yán)重磨損,是引發(fā)一系列故障現(xiàn)象的源頭,即行星齒輪軸與行星齒輪配合面發(fā)生粘著磨損后,兩者之間的摩擦力變大,行星齒輪軸將轉(zhuǎn)動力矩傳遞給阻止其轉(zhuǎn)動的鎖銷,導(dǎo)致鎖銷所承受的剪切力變大,發(fā)生剪切斷裂。鎖銷斷裂后行星齒輪軸失去了軸向約束并在摩擦力矩的作用下發(fā)生自轉(zhuǎn),出現(xiàn)了行星齒輪內(nèi)孔、差速器殼、行星齒輪墊片磨損嚴(yán)重等現(xiàn)象,所以該差速器故障的分析重點(diǎn)在于分析行星齒輪軸與行星輪粘著磨損的原因。

        當(dāng)汽車在正常狀態(tài)下行駛,汽車左右兩側(cè)車輪出現(xiàn)轉(zhuǎn)速差時(shí),行星軸與行星齒輪雖有相對轉(zhuǎn)動,但是由于轉(zhuǎn)速差較小、接觸面摩擦力較小,會產(chǎn)生正常的磨粒磨損,在良好的潤滑條件下,潤滑油會將磨粒及時(shí)帶走,兩表面間的磨損壽命較長。隨著轉(zhuǎn)速差變大,潤滑條件變差,接觸應(yīng)力增加等外界環(huán)境進(jìn)一步惡化之后,行星軸與行星齒輪接觸面就會發(fā)生表面擦傷性的粘著磨損,當(dāng)粘結(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度高于摩擦副中較軟材料的剪切強(qiáng)度時(shí),就會發(fā)生材料轉(zhuǎn)移,轉(zhuǎn)移的方向是從軟的材料轉(zhuǎn)向硬的材料,也就是撕脫性的粘著磨損[2],粘著磨損的形成以及破壞過程如圖4所示,由于行星軸的心部硬度小于齒輪的心部硬度,所以行星軸表面被撕脫成深溝,如圖1所示。

        圖4 粘著磨損示意

        3.2 影響因素排查

        為了探究行星齒輪軸與行星齒輪撕脫性粘著磨損的原因,從以下5個方面進(jìn)行了影響因素的排查工作。

        (1)使用環(huán)境。對用戶使用路況、行駛里程、行駛時(shí)間、駕駛習(xí)慣、用戶感受等方面進(jìn)行了詳細(xì)的咨詢,提取重點(diǎn)信息見表1。

        表1 用戶反饋

        (2)制件質(zhì)量。抽取同一批次生產(chǎn)的行星齒輪與行星齒輪軸,對其硬度、金相組織、粗糙度、結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)進(jìn)行了檢查,各項(xiàng)指標(biāo)均合格,排除了制件質(zhì)量問題。

        (3)裝配問題。其裝配工藝比較成熟,每一臺差速器均通過下線檢測,故排查裝配問題。

        (4)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。除行星齒輪軸油槽形式與對標(biāo)樣品不同外,行星齒輪軸與行星齒輪的配合間隙,潤滑情況與對標(biāo)樣品相當(dāng)。

        (5)控制策略。通過對標(biāo)發(fā)現(xiàn),很多汽車廠商在控制程序中增加了差速器保護(hù)功能,即設(shè)定不同轉(zhuǎn)速差下的扭矩極限值,該汽車差速器未設(shè)置保護(hù)功能。

        綜合以上分析,行星齒輪軸與行星齒輪配合面粘著磨損與用戶使用工況、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制策略因素相關(guān),主要是由于用戶長時(shí)間行駛于冰雪路面,左右半軸轉(zhuǎn)速差較大,隨著應(yīng)力、潤滑等外部條件進(jìn)一步惡化,行星齒輪軸與行星齒輪配合面因摩擦產(chǎn)生的熱量未能及時(shí)散出,所以發(fā)生粘著磨損。

        4 極限差速能力驗(yàn)證

        通過以上分析,需要對該差速器的極限差速能力進(jìn)行驗(yàn)證,即通過臺架試驗(yàn)對不同轉(zhuǎn)速差下差速器的扭矩極限進(jìn)行驗(yàn)證。

        4.1 試驗(yàn)方案

        根據(jù)冰雪路面的特點(diǎn),結(jié)合整車參數(shù),設(shè)計(jì)極限差速臺架試驗(yàn)方法,見表2。

        表2 極限差速臺架試驗(yàn)方法

        按照表2的試驗(yàn)工況進(jìn)行試驗(yàn),固定轉(zhuǎn)速差n,逐步提升半軸扭矩進(jìn)行驗(yàn)證,記錄每一個轉(zhuǎn)速差下的扭矩極限。試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測半軸扭矩和轉(zhuǎn)速的變化,若發(fā)生半軸扭矩波動、總成振動、油溫等異常情況時(shí),立即中斷試驗(yàn),進(jìn)行停機(jī)檢查。要求每次試驗(yàn)完成后進(jìn)行詳細(xì)的拆解測量,判斷差速器是否出現(xiàn)異常。

        4.2 數(shù)據(jù)分析

        將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析,并與某對標(biāo)車輛差速器不同轉(zhuǎn)速差下的差速器保護(hù)扭矩值進(jìn)行對比分析,見圖5。結(jié)果表明,該試驗(yàn)差速器在不同轉(zhuǎn)速差下的驗(yàn)證扭矩值均高于對標(biāo)車輛差速器的保護(hù)值,從而證明其限差速能力滿足整車開發(fā)使用要求。

        圖5 差速能力試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

        5 整車試驗(yàn)驗(yàn)證

        綜合以上故障原因分析以及臺架試驗(yàn)結(jié)果分析,初步判定該差速器失效與ESP設(shè)置相關(guān),為了找出失效真因,開展了整車專項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證。

        5.1 ESP開啟狀態(tài)

        整車ESP功能開啟。試驗(yàn)時(shí)保證ECU、TCU、ESP的軟件數(shù)據(jù)版本為最新狀態(tài),并通過CANape軟件采集整車行駛數(shù)據(jù),主要包括發(fā)動機(jī)扭矩、左右車輪速度、油門開度、擋位信息。

        5.1.1 對開路面試驗(yàn)

        整車停在對開路面起點(diǎn),如圖6所示,左側(cè)車輪在高附路面,右側(cè)車輪在低附路面(噴水),全油門加速至終點(diǎn)時(shí)停止試驗(yàn),共進(jìn)行10個循環(huán)。試驗(yàn)后差速器無任何異常,滿足要求。

        圖6 對開路面示意

        試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。試驗(yàn)過程中左右半軸轉(zhuǎn)速差最大為233 r/min,出現(xiàn)在100%油門開度工況下,此時(shí)的輸出扭矩為1 609 N·m。

        表3 對開路面數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

        5.1.2 蛇形路面試驗(yàn)

        在綜合性能路上,整車以可穩(wěn)定操控的最高速度和最小的轉(zhuǎn)彎半徑順時(shí)針繞行270°后再逆時(shí)針繞行270°,具體行車路線參考圖7,試驗(yàn)后差速器無任何異常,滿足要求。

        圖7 蛇形路面示意

        試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。試驗(yàn)過程中左右半軸轉(zhuǎn)速差最大為343 r/min,出現(xiàn)在54%油門開度工況下,此時(shí)的輸出扭矩為1 069 N·m。

        表4 蛇形路面數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

        5.2 ESP關(guān)閉狀態(tài)

        整車ESP功能關(guān)閉。按以上工況重復(fù)進(jìn)行對開路面和蛇形路面試驗(yàn),在對開路面進(jìn)行第2個循環(huán)時(shí),整車出現(xiàn)異響,終止試驗(yàn)并拆解差速器,發(fā)現(xiàn)行星齒輪軸與行星齒輪無法相對轉(zhuǎn)動,且兩者配合面處變色,存在輕微燒蝕痕跡,如圖8所示。初步預(yù)測,當(dāng)車輛出現(xiàn)輕微異響,則差速器已處于非正常的工作狀態(tài),若繼續(xù)行駛,強(qiáng)行差速,將會導(dǎo)致行星齒輪軸與行星齒輪配合處磨損嚴(yán)重、鎖止銷斷裂、行星齒輪軸竄動甚至殼體擊穿等現(xiàn)象發(fā)生。

        通過分析整車采集數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),ESP關(guān)閉時(shí),對開路面左右半軸的最大轉(zhuǎn)速差為1 719 r/min,見表5,遠(yuǎn)高于ESP開啟時(shí)的最大轉(zhuǎn)速差233 r/min,說明ESP在開啟狀態(tài)下可有效限制左右半軸轉(zhuǎn)速差。

        圖8 整車試驗(yàn)后星齒輪軸輕微燒蝕

        表5 ESP關(guān)閉狀態(tài)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

        綜上所述,結(jié)合用戶行車過程中明顯感覺動力不足,可以判定該車輛差速器失效的原因是由于用戶誤關(guān)ESP,且長時(shí)間行駛于冰雪路面,在極端工況下左右半軸轉(zhuǎn)速差過大,導(dǎo)致行星齒輪軸與行星齒輪之間因摩擦產(chǎn)生大量熱量,且未能及時(shí)散出,致使行星齒輪軸與行星齒輪配合面發(fā)生粘著磨損,粘結(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度高于行星齒輪的剪切強(qiáng)度,進(jìn)而形成撕脫性的粘著磨損。

        6 改進(jìn)建議及對策

        6.1 差速器潤滑結(jié)構(gòu)優(yōu)化

        通過優(yōu)化差速器行星齒輪軸與行星齒輪之間的潤滑結(jié)構(gòu),如圖9所示,將行星齒輪軸上的螺旋油槽更改為一字槽,增加進(jìn)油量,改善潤滑條件,保證在極端工況下行星齒輪軸與行星齒輪之間依然能夠良好潤滑,從而避免失效發(fā)生。

        圖9 潤滑結(jié)構(gòu)優(yōu)化

        6.2 增加差速器保護(hù)措施

        車輛的ESP功能,一定程度上能夠?qū)Σ钏倨髌鸬介g接保護(hù)作用[3],但是當(dāng)用戶誤關(guān)ESP時(shí),為防止極端工況下左右半軸的轉(zhuǎn)速差過大,可額外增加差速器保護(hù)功能,設(shè)定不同轉(zhuǎn)速差下的扭矩限值,即當(dāng)兩側(cè)齒輪的轉(zhuǎn)速差達(dá)到設(shè)計(jì)定值時(shí),對發(fā)動機(jī)提出降扭請求,確保差速器工作在極限差速能力范圍內(nèi)。

        7 結(jié)束語

        (1)通過對差速器失效樣件的拆解分析,確定了其失效模式為行星齒輪軸與行星齒輪之間的撕脫性粘著磨損,并針對該失效模式的影響因素進(jìn)行了排查。

        (2)設(shè)計(jì)了臺架試驗(yàn)方案,驗(yàn)證了該差速器不同轉(zhuǎn)速差下的極限差速能力高于目標(biāo)值,滿足整車開發(fā)使用要求。

        (3)開展了整車專項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證,同時(shí)對ESP開啟和關(guān)閉狀態(tài)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,進(jìn)一步鎖定了差速器失效的真因,由于用戶誤關(guān)閉ESP功能并長時(shí)間行駛于冰雪路面,左右半軸轉(zhuǎn)速差過大,行星齒輪軸與行星齒輪之間因摩擦產(chǎn)生了大量熱量未及時(shí)散出,從而發(fā)生粘著磨損。

        (4)針對該失效模式,提出了避免差速器失效的對策,即優(yōu)化差速器潤滑結(jié)構(gòu)和增加差速器保護(hù)措施。

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