楊博華，胡智宇，李成，馮世榮

某重卡差速器十字軸降磨耗改進(jìn)

楊博華，胡智宇，李成，馮世榮

（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710200）

經(jīng)市場大數(shù)據(jù)分析，十字軸與行星輪內(nèi)孔最容易發(fā)生磨耗，且該磨耗會造成行星輪與十字軸過熱燒結(jié)、行星輪支撐不足打齒、點蝕等系列故障。文章通過對某重卡差速器十字軸與行星輪形成的摩擦副進(jìn)行分析，定位磨耗主要成因，利用仿真手段針對性地進(jìn)行降磨耗改進(jìn)，結(jié)果顯示改進(jìn)結(jié)果有效可行。

差速器；十字軸；行星輪

前言

汽車差速器主要功能是傳動及實現(xiàn)兩輸出端差速[1]，其主要故障形式之一是行星齒輪與十字軸磨耗，磨耗過程中伴隨溫度急劇升高，導(dǎo)致十字軸與行星輪燒結(jié)，由于外部仍處于差速工況，極容易發(fā)生行星輪打齒。并且磨損加大后，行星輪與十字軸間隙增大，支撐不足，差速器齒輪嚙合區(qū)域異常，導(dǎo)致齒輪點蝕、打齒等故障。

本文通過研究某重卡差速器十字軸與行星輪形成的摩擦副，從磨耗形成的根源著手，提出兩個改進(jìn)點，旨在降低接觸壓強(qiáng)同時提高耐磨性。通過有限元計算分析改進(jìn)效果，接觸壓強(qiáng)可降低30%。

1 十字軸與行星輪摩擦副分析

從故障照照片可看出十字軸與行星輪內(nèi)孔磨耗嚴(yán)重，十字軸與行星輪燒結(jié)導(dǎo)致部分軸出現(xiàn)斷裂，行星齒輪與半軸齒輪點蝕、打齒。這種典型的失效型式，究其原因為接觸壓強(qiáng)過大，導(dǎo)致摩擦力過大，另外十字軸不耐磨，直接導(dǎo)致早期磨耗過大。因此失效原因可定位到接觸壓強(qiáng)與十字軸耐磨性，以下改進(jìn)方案旨在從這兩個方面進(jìn)行，通過減磨、抗磨降低磨耗。

十字軸原結(jié)構(gòu)為是十字軸加襯套的結(jié)構(gòu)，其中十字軸材料為滲碳鋼，襯套材料為鋼套滲合金。襯套表面合金層硬度可達(dá)到60 HRC以上，層深僅能達(dá)到絲級，故表面致密化合物磨掉后本身鋼套耐磨性不足。由于鋼套的存在，十字軸軸徑僅能做到24，十字軸與行星輪接觸壓強(qiáng)過大。改進(jìn)方案取消襯套，采用滲碳鋼表面滲碳淬火，表面硬度可達(dá)到60 HRC以上，同時滲碳層深可達(dá)到1 mm以上[2]。取消襯套后，十字軸軸徑可增大到28，可有效降低十字軸與行星輪內(nèi)孔接觸壓強(qiáng)。改進(jìn)前后裝配尺寸不變，具備互換性。

圖1 故障形式

圖2 改進(jìn)方案

2 有限元分析

在有限元分析軟件中劃分好網(wǎng)格，建立差速器總成模型[3]，采用車輛前進(jìn)正向坐標(biāo)系，即軸指向車輛前進(jìn)方向，軸指向前進(jìn)方向的左側(cè)，軸豎直向上。采用mm、s、t有限元常用單位制，考慮到模型大小及計算準(zhǔn)確性，四面體單元劃分實體網(wǎng)格。材料參數(shù)如下表1所示：

表1 材料參數(shù)

零件名稱材料彈性模量泊松比抗拉強(qiáng)度/MPa屈服強(qiáng)度/MPa 十字軸20CrMnTi2100.31 5101 080 行星輪20CrMnTi2100.31 5101 080

計算載荷按照額定扭矩12 000 Nm，在差殼與被動錐齒輪連接中心處施加方向力矩載荷，需考慮螺栓連接對差速器支撐剛性的影響，模型需增加螺栓預(yù)緊力，預(yù)緊力大小按照M14螺栓擰緊力矩200 Nm計算，見下表2。模型加載如下圖3所示。

表2 螺栓預(yù)緊力

規(guī)格擰緊力矩/Nm預(yù)緊力/N M14(10.9級)20075 426

用相同的建模、分析方法分別對改進(jìn)前后的差速器進(jìn)行計算，讀取行星輪內(nèi)孔接觸壓強(qiáng)，該接觸壓強(qiáng)能直觀地反映行星輪與十字軸接觸壓力大小以及分布情況，是評判改進(jìn)效果的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。計算結(jié)果如下表3所示，從接觸壓強(qiáng)數(shù)據(jù)可看出改進(jìn)后最大接觸壓強(qiáng)較改進(jìn)前減小30%。從云圖結(jié)果可以看出，改進(jìn)后接觸壓強(qiáng)整體呈減小趨勢，接觸壓強(qiáng)較大區(qū)域收窄。由于十字軸軸徑加粗，十字軸根部應(yīng)力可減小18%，十字軸強(qiáng)度相應(yīng)增加。通過接觸壓強(qiáng)最大值及分布對比可確定改進(jìn)效果明顯，可進(jìn)行試驗驗證進(jìn)一步確定改進(jìn)效果。

圖3 有限元模型

表3 有限元計算結(jié)果

改進(jìn)前改進(jìn)后 額定工況 最大接觸壓強(qiáng)/MPa238168 行星輪云圖中紅色區(qū)域為接觸壓強(qiáng)大于150 MPa

3 臺架驗證

對改進(jìn)效果的驗證關(guān)鍵在于考量差速過程的磨耗，對磨耗的衡量通常采用重量法或者磨損量法。由于本次研究對象磨損減重相對自重基本可忽略不計，本文采用磨損量作為評價指標(biāo)，即試驗前后十字軸軸徑、行星輪孔徑尺寸變化量。差速耐久試驗是評判差速性能的有效手段，即在某一車速下持續(xù)差速一定時間。由于差速器內(nèi)部的潤滑采用飛濺潤滑，低車速下的潤滑較高車速弱，工礦更惡劣，通常采用低車速進(jìn)行差速驗證。本次試驗搭載車橋驗證，試驗車速5 km/h，兩側(cè)半軸輪轉(zhuǎn)速差根據(jù)最小轉(zhuǎn)彎半徑計算為60 rpm，每1 h進(jìn)行一次差速換向，持續(xù)進(jìn)行20 h或者差速器零件損壞后拆解測量。試驗前測量十字軸軸徑、行星輪孔徑，需要對十字軸的4根軸及4個行星輪進(jìn)行標(biāo)記，以便試驗后對應(yīng)測量，每段軸和孔需要3個測量點，取平均值以確定每段軸和孔的尺寸。由于試驗前后尺寸變化量并不會很大，對尺寸的測量采用千分尺，小數(shù)點后保留3位小數(shù)，共進(jìn)行兩輪試驗，對比改進(jìn)前后十字軸、行星輪磨損量，此處的磨損量為4根軸與4個行星輪的平均值。試驗數(shù)據(jù)對比如下表4所示：

表4 磨損量數(shù)據(jù)

對比改進(jìn)前改進(jìn)后 十字軸軸徑/mm0.2330.112 0.3640.218 行星輪孔徑/mm0.3090.241 0.4320.302

從試驗數(shù)據(jù)可以得出，改進(jìn)后十字軸磨損量平均可減少46%，行星輪內(nèi)孔磨損量平均可減少26%，試驗測量的磨損量減少百分比與有限元分析得到的接觸壓強(qiáng)減小百分比基本一致，即試驗與理論分析吻合度較高。由此可確定對磨耗的分析清晰，問題定位精確，改進(jìn)方案正確、有效。

4 結(jié)論

本文論述了對某重卡差速器十字軸進(jìn)行降磨耗改進(jìn)。基于售后故障現(xiàn)象，分析高磨耗是導(dǎo)致差速器失效的主要原因之一，進(jìn)而從磨耗根源出發(fā)，提出兩點針對接觸壓強(qiáng)與耐磨性的改進(jìn)方案，有效降低了十字軸與行星輪的接觸壓強(qiáng)，并提高了十字軸的耐磨性，進(jìn)而減小了十字軸與行星輪磨耗。從有限元分析及臺架試驗可以看出改進(jìn)效果明顯，計算與試驗吻合度較高，并且改進(jìn)前后具備裝配互換性，可在市場上進(jìn)行大批量切換。本文論述的改進(jìn)方案有效、可行，具有一定的技術(shù)價值。

[1] 劉惟信.汽車車橋設(shè)計[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

[2] 邵國強(qiáng),董立社.斯太爾差速器十字軸的強(qiáng)化改進(jìn)[J].汽車實用技術(shù),2012(10):21-23.

[3] 丁煒琦,蘇瑞意,桂良進(jìn),等.基于應(yīng)力優(yōu)化的大客車結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化[J].汽車技術(shù),2010(04):4-7.

Improvement of Cross-shaft Wear Reduction of a Heavy-truck Differential

YANG Bohua, HU Zhiyu, LI Cheng, FENG Shirong

（Shaanxi Hande Axle Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710200）

According to market big data analysis, the cross shaft and the inner hole of the planetary gear are most prone to wear, and this abrasion will cause the planetary gear and the cross shaft to overheat and sinter, the planetary gear is insufficiently supported, toothing, and pitting. The article analyzes the friction pair formed by the cross shaft and planetary gear of a heavy truck differential, locates the main causes of wear, and uses simulation methods to improve the wear reduction. The results show that the improved results are effective and feasible.

Differential; Cross shaft; Planetary gear

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.025

U463.218+.4

A

1671-7988(2021)21-101-03

U463.218+.4

A

1671-7988(2021)21-101-03

楊博華，就職于陜西漢德車橋有限公司。