柴少彪 湯會芳 孟慶祥

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司商用車技術(shù)中心， 上海 200438)

0 引言

差速器是減速箱的重要零部件，它對整車的轉(zhuǎn)彎具有重要作用，由于左右車輛的轉(zhuǎn)速不同，相對應(yīng)的差速器半軸齒輪轉(zhuǎn)速也不相同，在急轉(zhuǎn)彎或車輛在高低摩擦副的路面上行駛時(shí)，半軸齒輪的轉(zhuǎn)速差較大，當(dāng)車輛在高低摩擦副的路面上爬坡時(shí)，如果坡道很大，兩個(gè)車輛的附著系數(shù)也很大，此時(shí)，高摩擦副車輪轉(zhuǎn)速很小，另一低摩擦副車輪轉(zhuǎn)速很大，這導(dǎo)致半軸齒輪的轉(zhuǎn)速差很大，同時(shí)，車輛的需求扭矩也很大，這種情形下，車輛對差速器的考核是非常苛刻的，差速器在沒有轉(zhuǎn)速和扭矩控制的情況下極易失效。尤其是車輛在ESP(車身電子穩(wěn)定系統(tǒng))標(biāo)定時(shí)，由于標(biāo)定軟件的不成熟，差速器也極易失效。

圖1 車輛在高低摩擦副路面上行駛Fig.1 Running in high friction and low friction load surface vehicle

1 差速器工作原理

在汽車上，差速器主要是開式差速器。該差速器總成是一種行星輪系，如圖所示，它是由差殼、半軸齒輪、行星輪、行星輪圓柱銷、行星輪定位銷等零部件組成，它也符合行星輪的杠桿原理的相關(guān)定義。

傳遞動(dòng)力的路徑主要是：來自電機(jī)的動(dòng)力，經(jīng)過各級齒輪的傳遞，通過與差殼固連的主減速齒輪將動(dòng)力傳遞到差殼上，在直線行駛時(shí)，差殼帶動(dòng)行星輪圓柱銷圓周運(yùn)動(dòng)，行星輪圓柱銷帶動(dòng)行星輪僅做公轉(zhuǎn)圓周轉(zhuǎn)動(dòng)，行星輪與半軸齒輪嚙合，從而行星輪帶動(dòng)半軸齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)整車行駛；在轉(zhuǎn)彎或高低摩擦副的路面上行駛時(shí)，低摩擦副的半軸齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度較大，高摩擦副的半軸齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度較小，此時(shí)，行星輪不僅公轉(zhuǎn)還自轉(zhuǎn)，這種情況下，行星輪與行星輪圓柱銷之間產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦，行星輪與行星輪圓柱銷之間的連接形式為滑動(dòng)軸承，如圖3所示，行星輪與行星輪圓柱銷之間簡化成如圖3所示的滑動(dòng)軸承，該滑動(dòng)軸承承受轉(zhuǎn)速V及力P的作用，由滑動(dòng)軸承手冊可知，對于某種材料而言，PV值是恒定的，即，在一定的環(huán)境下，某種材料能夠承受的表面轉(zhuǎn)速V(m/s)和壓力P(MPa)是不變的值，也就是所在減速箱的潤滑條件及相應(yīng)的溫度下，行星輪圓柱銷與行星輪之間的相對轉(zhuǎn)速和表面壓力的乘積是某個(gè)常數(shù)。

圖2 差速器結(jié)構(gòu)Fig.2 Differential structure

圖3 滑動(dòng)軸承簡圖Fig.3 Plain bearing

其中，P=F/A，A=L×D;V=nπD/12

F——行星輪圓柱銷承受的徑向力，N；

L——行星輪與行星輪圓柱銷接觸的有效長度，m；

D——行星輪圓柱銷直徑，m；

n——行星輪與行星輪圓柱銷的相對轉(zhuǎn)速，m/s；

當(dāng)車輛在高度摩擦副的坡道上行駛時(shí)，行星輪與行星輪圓柱銷之間產(chǎn)生的熱量PV值，大于材料能夠承受的熱量時(shí)，該摩擦副將失效。

2 失效工況

某車輛，在進(jìn)行ESP標(biāo)定時(shí)，差速器行星輪銷軸磨損嚴(yán)重，行星輪定位銷在較大的摩擦力作用下，發(fā)生斷裂。

對失效的減速箱進(jìn)行拆解分析，發(fā)現(xiàn)行星輪銷軸磨損嚴(yán)重，行星輪銷軸定位銷已經(jīng)斷裂，同時(shí)，行星輪銷軸在離心力作用下向外脫出。

試驗(yàn)車輛車輪半徑0.3528 m，最大爬坡度為12%，減速箱速比為9.92，電機(jī)最大扭矩320 Nm，在整車進(jìn)行ESP標(biāo)定時(shí)的工況如下表所示：

圖4 行星輪銷軸Fig.4 Planetary spin shaft

3 失效分析

減速箱差速器試驗(yàn)，一般按照QC/T1022-2015進(jìn)行測試，按照該測試工況得到如下測試工況，測試結(jié)果反饋試驗(yàn)通過，差速器總成等零部件都無失效發(fā)生。

圖5 行星輪銷軸定位銷斷裂Fig.5 Planetary spin shaft fixed spin

圖6 行星輪銷軸向外移動(dòng)Fig.6 Planetary gear spin shaft outside position

表1 失效時(shí)車輛工況Table 1 Failure vehicle loadcase

表2 差速器低速高扭工況Table 2 Differential low speed high torque loacase

表3 差速器高速低扭工況Table 3 Differential high speed low torque loacase

按照表1整車失效工況進(jìn)行臺架測試，試驗(yàn)仍然失效。

綜上可知，按照汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行差速器測試，測試結(jié)果是偏保守的，為了探知該差速器能夠承受的PV值，需要再次測試以摸底該差速器的承載能力，結(jié)合整車實(shí)際情況，對以下工況進(jìn)行測試，測試結(jié)果顯示零部件沒有失效，故試驗(yàn)通過。

結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，使用最大PV值的測試工況，按照相同PV值進(jìn)行反求各個(gè)測試工況下的轉(zhuǎn)速和扭矩，得到如下差速器承載能力PV值，并按照該曲線對左右車輪轉(zhuǎn)速和扭矩進(jìn)行控制，以避免差速器再次失效。使用該曲線對車輪進(jìn)行控制后，差速器沒有失效再次發(fā)生。

表4 差速能力摸底測試Table 4 Differential testes

圖7 差速器PV值Fig.7 PV value of differential

4 結(jié)論

通過此次試驗(yàn)可以得到如下經(jīng)驗(yàn)：

整車在進(jìn)行惡劣工況測試或標(biāo)定時(shí)，例如ESP標(biāo)定等，需要對左右車輪的轉(zhuǎn)速和扭矩進(jìn)行控制，以避免減速箱差速器失效；

減速箱差速器臺架試驗(yàn)工況較弱，在試驗(yàn)前期應(yīng)該進(jìn)行分析和測試，得知差速器的最大承載能力的PV值后再進(jìn)行測試，以驗(yàn)證該材料的承載能力；

使用差速器PV值的承載能力限制，車輛差速器沒有失效，該方法是有效的。