白 楊， 黃杰文， 汪茂根， 李艷明

（1. 江鈴汽車股份有限公司，南昌 330001；2. 南昌益輝塑業(yè)有限公司，南昌 330096）

0 引言

汽車差速器是后橋的重要部件，在車輛運行過程中，受力情況非常復雜。有正常嚙合造成的齒輪切向周變載荷、齒間嚙合滑移造成的摩擦力，還有突然產生的沖擊（如急加速）。所以后橋差速器的失效原因也非常復雜。常見的有齒輪周變載荷造成的疲勞、沖擊載荷造成的斷裂、表面磨損或膠合產生裂痕引發(fā)裂紋擴展，或者齒輪內部缺陷在外力情況下的破壞[1]、齒輪工作過程中潤滑介質所含顆粒造成的表面磨損[2]等。為了保證汽車后橋齒輪的可靠性，在開發(fā)階段往往要對以上各種情況進行相應的可靠性試驗[3-4]。

皮卡可靠性驗證樣車在進行整車傳動系統(tǒng)沖擊試驗時，2個樣本分別進行到第74、69個循環(huán)時出現(xiàn)差速器齒輪斷裂故障，通過考核的循環(huán)數(shù)為140。利用材料成分分析、金相組織分析及電鏡掃描，配合CAE對此故障件進行分析，找到失效原因并進行優(yōu)化設計，解決故障，對其他類似產品的設計也有借鑒意義。

1 故障件分析

差速器齒輪為錐形齒輪，共14個齒，已斷裂10個（圖1）。對失效齒進行觀察，發(fā)現(xiàn)有3類失效形態(tài)。a區(qū)為凹坑，是齒面受載荷造成的材料流動形成；b、c區(qū)形態(tài)不同，需進行斷口分析。對未破壞齒進行觀察，沒有觀察到齒面剝落。肖偉中等[5]研究證實，齒輪接觸疲勞的破壞一般會在齒面下0.4～0.6 mm出現(xiàn)初始裂紋。且同型車輛在長里程可靠性試驗中未發(fā)生失效，故判斷疲勞導致失效的概率小[6]。

圖1 差器速齒輪失效照片F(xiàn)ig.1 Fractured gear of differential mechanism

初步判斷產生失效的原因可能是（表1）：1）齒輪材料內部有缺陷，在載荷下產生裂紋導致失效；2）齒輪的實際受力情況超過材料許用應力。

表1 齒輪失效原因分析[7]Table 1 Failure cause analysis of gears[7]

從斷裂差速器齒輪母材取樣，采用金相顯微鏡對試樣進行分析。試樣的淬硬層組織等級、芯部組織等級、碳化物等級、淬硬層深度、表面硬度及芯部硬度和評價標準見表2。金相分析結果顯示，材料的金相組織滿足要求，組織等級均為1級。

表2 差速器齒輪試樣金相分析結果Table 2 Metallographic analysis result of the gear

采用高速自動引然爐、硅錳磷自動分析儀和鉻銅鈦自動分析儀對該差速器齒輪基體組織的化學成分進行分析，結果見表3。結果顯示，材料成分滿足標準要求。

表3 差速器齒輪母材化學成分 (質量分數(shù) /%)Table 3 Chemical composition analysis results of the gear (mass fraction /%)

通過掃描電子顯微鏡對不同斷齒的不同位置進行觀察，微觀形貌見圖2。表層斷口形貌為沿晶（圖2a、圖2b）。由于樣品經滲碳處理，滲碳層一次性斷口形貌為沿晶。斷口形貌為韌窩（圖2c）。由于斷口表層沿晶，其余韌窩，是一次性斷裂特征。

圖2 斷齒微觀形貌Fig.2 Micro morphology of broken teeth

結合金相組織、成分分析和電子電子顯微鏡掃描結果，判斷是試驗工況下差速器齒輪負載超出了自身承載能力導致的失效。因此需要對啟停工況下差速器齒輪受力作進一步分析。

2 差速器齒輪承扭分析

整車傳動系統(tǒng)沖擊試驗過程：車輛行至跑道起點處停穩(wěn)，掛1檔在發(fā)動機達到發(fā)動機扭矩最大輸出轉速后，迅速釋放離合器。此工況下，差速器齒輪承受較大瞬間沖擊，查閱相關資料[8-9]可知，離合器“猛接合”的情況下，對后驅動橋產生很大的沖擊扭矩，扭矩經驗公式為：

根據(jù)整車參數(shù)，計算得T=2027 N?m。為驗證理論數(shù)據(jù)的準確性，采用數(shù)據(jù)采集儀、無線扭矩傳感器、加速度傳感器，對整車傳動系統(tǒng)沖擊試驗下后驅動橋實際沖擊扭矩進行測試，測得6組數(shù)據(jù)平均值為2064 N?m，理論數(shù)據(jù)與實際測試數(shù)據(jù)相差不大，印證了模型的可靠性。本研究中取實際測試數(shù)據(jù)對差速器齒輪進行靜強度分析。

2.1 參數(shù)化建模

差速器齒輪參數(shù)化建模所需要的基本參數(shù)見表4。

表4 行星齒輪和半軸齒輪主要參數(shù)Table 4 Major parameters of planetary gear and half axle gear

利用CATIA創(chuàng)建參數(shù)化模型，并使用Mechanical 劃分網(wǎng)格。由于本文主要研究齒輪齒面上應力應變的變化情況，為了盡可能地減小誤差，采取分段劃分網(wǎng)格的方法[10-11]，對輪齒部分進行細致劃分，選定六面體結構，其余部分進行四面體網(wǎng)格劃分。劃分完成后的單元數(shù)為113 340個，節(jié)點數(shù)為186 425個。在解算方案為Solution 1，類型為 SOL 101 Linear Statics - Global Constraints的環(huán)境下，使用NX NASTRAN求解器進行分析，差速器行星齒輪和半軸齒輪材料相同，其材料屬性見表5。

表5 齒輪的材料屬性Table 5 Material properties of the gear

在齒輪嚙合過程中，行星齒輪以一定的轉速轉動，驅動半軸齒輪運轉，半軸齒輪在阻力矩的作用下達到平衡，對行星齒輪產生反力矩，兩齒輪之間通過輪齒接觸傳遞。根據(jù)差速器齒輪模型接觸情況，約束半軸齒輪、行星齒輪、行星齒輪軸為摩擦接觸，簡易差速器殼僅允許軸向旋轉[12]。通過固定兩端半軸，將扭矩加載到簡易差速器殼體上，傳遞至行星齒輪軸帶動差速器殼體內齒輪嚙合，從而分析出差速器殼內部齒輪的強度。最終模型見圖3。

圖3 分析模型Fig.3 Analysis model

2.2 有限元分析結果

圖4是整車傳動系統(tǒng)沖擊試驗瞬間差速器齒輪應力分布。從結果可知：1）半軸齒輪最大應力為 1322 MPa（圖 4a），大于許用應力；行星齒輪最大應力 1070 MPa（圖 4b），接近許用應力。2）應力主要集中在齒根部位，應力分布云圖和實物破壞的狀態(tài)高度吻合。結合斷面微觀形貌分析結果，該件失效的原因判斷為齒輪設計載荷不能滿足測試工況造成的失效。

圖4 失效件差速器齒輪沖擊工況下應力云圖Fig.4 Stress nephogram of the original gears under impact

3 解決措施及驗證

根據(jù)以上分析，該故障產生的根本原因是齒輪設計問題?？赏ㄟ^減少齒數(shù)，增加齒厚來提高承載。也可以考慮使用更好的材料，但是會增加成本。

經過重新計算，將行星齒輪齒數(shù)由11改為7，將半軸齒輪齒數(shù)由14改為10。重新進行建模和CAE分析。分析結果見圖5。可見優(yōu)化后齒輪的應力均小于許用應力。

圖5 優(yōu)化后差速器齒輪沖擊工況下應力云圖Fig.5 Stress nephogram of the optimized gears under impact

為了節(jié)省試驗資源，采用臺架試驗方式對新設計的差速器進行模擬沖擊試驗，并同時對原狀態(tài)差速器進行對比試驗，試驗通過后再進行整車驗證。沖擊使用的載荷見圖6，此為實際試驗過程中采集的路譜轉化得到的[13-14]。

圖6 臺架試驗沖擊載荷譜Fig.6 Impact load spectrum of bench test

試驗結果顯示，原狀態(tài)差速器在724個沖擊循環(huán)時失效，且失效形態(tài)和整車試驗時的失效形態(tài)一致。新設計的差速器經過1500個循環(huán)未失效，認為可以滿足設計要求及驗證要求。實車試驗和臺架試驗循環(huán)數(shù)量對照見表6。重新進行整車傳動系統(tǒng)沖擊試驗順利通過。

表6 實車試驗和臺架試驗循環(huán)數(shù)量Table 6 Cycle number of vehicle test and bench test

皮卡是一種作為工具車用途為主的車輛。使用過程中往往會經受較大的沖擊載荷。工程師在做后驅動橋設計時，不僅需要滿足常規(guī)的車輛測試使用要求，也要考慮極限工況下差速器齒輪抗沖擊能力。故設計驗證階段有必要進行整車傳動系統(tǒng)沖擊試驗。在試驗過程中，瞬時沖擊扭矩會接近或超出后橋許用扭矩，在多次的啟停試驗后，差速器齒輪將會因沖擊強度超出許用應力而出現(xiàn)斷裂，或是在多次沖擊過程中達到疲勞極限而出現(xiàn)疲勞斷裂。在失效原因排查時，組織缺陷、成分缺陷、設計缺陷均應該同時考慮。由于對沖擊和疲勞的CAE分析方法并不十分成熟，故在分析過程中需要對比測試數(shù)據(jù)進行模型驗證，適當修正。這樣的CAE結果才是高可靠性的。

4 結論

1）差速器錐齒輪失效原因為齒輪設計強度不足。

2）通過減少齒數(shù)增加輪齒強度提升齒輪抗沖擊能力，新設計的齒輪通過臺架驗證和整車驗證。