田國(guó)才

遼寧曙光汽車集團(tuán)股份有限公司 遼寧丹東 118001

汽車差速器是能夠使車輛兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪實(shí)現(xiàn)以不同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。主要作用是當(dāng)汽車轉(zhuǎn)彎行駛或在不平路面上行駛時(shí)，使左右車輪以不同轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，保證兩側(cè)驅(qū)動(dòng)車輪作純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。

差速器根據(jù)功能形式分為開(kāi)式差速器、限滑差速器和鎖式差速器。在不同的工況場(chǎng)景匹配不同的差速器類型，可以有效提升車輛的動(dòng)力輸出提升，整車性能。差速器行星齒輪軸根據(jù)整車動(dòng)力匹配又分為一字軸、Y字軸及十字軸等結(jié)構(gòu)形式。

差速器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由殼體、行星齒輪、半軸齒輪、行星齒輪墊、半軸齒輪墊、行星齒輪軸和鎖銷構(gòu)成。

圖1 差速器結(jié)構(gòu)

目前微型、輕型汽車差速器多采用開(kāi)式差速器，行星齒輪軸多采用一字軸結(jié)構(gòu)。行星齒輪軸是汽車動(dòng)力傳遞的重要部件，汽車的動(dòng)力輸出流程為主動(dòng)齒輪→從動(dòng)齒輪→差速器殼體→行星齒輪軸→行星齒輪→半軸齒輪→半軸→車輪，行星齒輪軸的失效與否直接影響汽車的動(dòng)力輸出。同時(shí)行星齒輪軸的失效會(huì)引起一系列其他部件的失效。

失效表現(xiàn)及影響

下面以某輕客車型的行星齒輪軸的失效形式展開(kāi)分析。行星齒輪軸失效表現(xiàn)分為三種：行星齒輪軸異常磨損；行星齒輪軸和行星齒輪燒結(jié)；行星齒輪軸斷軸。外部失效表現(xiàn)分為兩大類，一是后橋內(nèi)有異響但是有動(dòng)力輸出，車輛可以行駛；二是車輛失去動(dòng)力，無(wú)法行駛。

通過(guò)對(duì)失效的驅(qū)動(dòng)橋總成拆解分析發(fā)現(xiàn)，行星齒輪軸表現(xiàn)為異常磨損，汽車行駛時(shí)車輛依然有動(dòng)力輸出，但是后橋內(nèi)部有異響或同時(shí)伴有撞擊聲響。拆解整橋及主減速器總成后發(fā)現(xiàn)，行星齒輪軸同行星齒輪配合位置已經(jīng)磨損出溝槽，同時(shí)伴有撞擊聲的失效件有行星齒輪軸鎖銷斷裂情況，行星齒輪軸一端有磨損現(xiàn)象，驅(qū)動(dòng)橋內(nèi)部有細(xì)碎的磨屑；行星齒輪軸斷裂的失效狀態(tài)使驅(qū)動(dòng)橋無(wú)法完成動(dòng)力傳遞，車輛無(wú)法行駛。

行星齒輪軸失效的同時(shí)會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)橋內(nèi)部一系列其他問(wèn)題。首先會(huì)使行星齒輪軸鎖銷斷裂，車輛正常行駛時(shí)鎖銷受力非常小，可以忽略不計(jì)。但當(dāng)行星齒輪和軸磨損后兩者摩擦力增加，在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)對(duì)鎖銷產(chǎn)生較大的剪切力，當(dāng)超過(guò)鎖銷所能承受的極限時(shí)鎖銷將會(huì)斷裂，鎖銷斷裂后行星齒輪軸在其軸向上會(huì)自由竄動(dòng)。

如果此時(shí)行星齒輪和軸已經(jīng)燒結(jié)在一起，那么行星齒輪軸會(huì)在不斷地相對(duì)差速器殼體進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)椴钏倨鳉んw強(qiáng)度低于行星齒輪軸，所以行星齒輪軸孔會(huì)在摩擦中不斷變大，大到一定程度時(shí)行星齒輪將會(huì)失去原來(lái)的嚙合位置導(dǎo)致打齒等問(wèn)題。行星齒輪軸將會(huì)竄出并在旋轉(zhuǎn)時(shí)撞擊在其他部件上，導(dǎo)致行星齒輪軸斷裂、差速器殼體碎裂，碎屑會(huì)進(jìn)入軸承引起軸承燒蝕抱死、主從動(dòng)齒輪打齒等失效現(xiàn)象，此時(shí)主減速器將被破壞無(wú)法工作。

如果鎖銷斷裂后行星齒輪和軸沒(méi)有燒結(jié)，那么行星齒輪軸在軸向上是自由運(yùn)動(dòng)的，其會(huì)直接沿著軸向竄出并在旋轉(zhuǎn)時(shí)撞擊在其他部件上，同樣導(dǎo)致主減速器破壞無(wú)法工作，整車失去動(dòng)力，將會(huì)有潛在安全風(fēng)險(xiǎn)。

行星齒輪軸失效原因綜合分析

1.潤(rùn)滑不足

行星齒輪和行星齒輪軸在主減速器總成內(nèi)部的差速器殼體內(nèi)，油液無(wú)法浸泡到其配合位置，兩者之間的潤(rùn)滑依靠從動(dòng)齒輪攪動(dòng)油液后飛濺潤(rùn)滑。行星齒輪和軸之間屬于間隙配合，動(dòng)力傳遞時(shí)兩者之間屬于滑動(dòng)摩擦，所以及時(shí)潤(rùn)滑并形成油膜尤為重要；在配合間隙過(guò)小或者潤(rùn)滑不到位沒(méi)有形成油膜的情況下，工作時(shí)溫度會(huì)急劇升高導(dǎo)致配合表面高溫退火，最終導(dǎo)致兩者磨損或燒結(jié)在一起。

遼寧曙光汽車集團(tuán)股份有限公司在給某輕客車型匹配后橋時(shí)出現(xiàn)此類問(wèn)題，失效比率居高不下，后通過(guò)改善此處潤(rùn)滑條件，如增加導(dǎo)油槽長(zhǎng)度使油液更容易進(jìn)入配合位置并使油液留存在內(nèi)，改善后此問(wèn)題失效率降低并完成此失效問(wèn)題的關(guān)閉。

2.行星齒輪和軸之間的擠壓應(yīng)力過(guò)大

通過(guò)計(jì)算可以得出行星齒輪和軸之間的擠壓應(yīng)力，檢查擠壓應(yīng)力是否有超出或者處于極限狀態(tài)。擠壓應(yīng)力過(guò)大超過(guò)極限狀態(tài)，材料表面破壞導(dǎo)致溫度升高退火，破壞持續(xù)加劇。通過(guò)在測(cè)功機(jī)差速試驗(yàn)研究，合理的行星式輪軸選材及熱處理工藝能夠有效提升軸的性能。例如，由于失效問(wèn)題，遼寧曙光汽車集團(tuán)股份有限公司部分軸的材料由40Cr高頻淬火改為20CrMnTi滲碳淬火，通過(guò)相同狀態(tài)的差速試驗(yàn)后，后者的磨損量低于前者，滲碳淬火表面主要是針狀馬氏體組織，含碳量較高，加上彌散分布的碳化物及少量的殘余奧氏體組織，表面含碳量越高表面強(qiáng)化越明顯。

通過(guò)材料及處理工藝的改進(jìn)，失效比率有明顯的降低。同時(shí)，為了進(jìn)一步降低軸表面的擠壓應(yīng)力，可以增加行星齒輪和軸之間的配合長(zhǎng)度。通過(guò)以上方法能有效地降低行星齒輪軸的失效比率。

3.雜質(zhì)影響

驅(qū)動(dòng)橋內(nèi)部由于加工制造等因素會(huì)殘留鐵屑等雜質(zhì)，同時(shí)整橋通過(guò)運(yùn)轉(zhuǎn)，各個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)零件之間會(huì)有磨屑產(chǎn)生，懸浮在齒輪油內(nèi)。這些雜質(zhì)一旦進(jìn)入到行星齒輪和軸的滑動(dòng)摩擦表面，將會(huì)對(duì)其產(chǎn)生持續(xù)的磨損和破壞，長(zhǎng)時(shí)間或高強(qiáng)度運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)在配合面產(chǎn)生大量的熱導(dǎo)致表面退火降低性能，引起行星齒輪軸失效。遼寧曙光汽車集團(tuán)股份有限公司使用德國(guó)AVL測(cè)功機(jī)進(jìn)行差速試驗(yàn)，分別使用新齒輪油和含磨屑的舊齒輪油，舊齒輪油的試驗(yàn)分別出現(xiàn)了差速器行星齒輪軸退火和較大磨損的情況，其中一件還出現(xiàn)了主動(dòng)齒輪內(nèi)軸承燒蝕抱死的情況?？梢?jiàn)雜質(zhì)和鐵屑對(duì)行星齒輪和軸的失效有很大的影響，同時(shí)也影響整橋的運(yùn)轉(zhuǎn)。

4.行星齒輪和半軸齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)卡滯

行星齒輪和半軸齒輪在裝配時(shí)會(huì)因?yàn)殚g隙調(diào)整及制造精度等問(wèn)題導(dǎo)致運(yùn)行不順暢，此時(shí)強(qiáng)行運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)加大行星齒輪和軸之間的擠壓應(yīng)力。如果此狀態(tài)下工作將破壞工作表面油膜，損傷接觸面，導(dǎo)致升溫迅速引起配合件退火損壞失效。

改善措施

綜上，通過(guò)對(duì)失效表現(xiàn)及原因的綜合分析，行星齒輪軸的失效以及差速器的失效是相關(guān)聯(lián)的，起因具有多樣性，從設(shè)計(jì)、制造到使用環(huán)節(jié)都有影響。

1）設(shè)計(jì)改進(jìn)時(shí)減小行星齒輪和軸之間的應(yīng)力，在差速器殼體允許的情況下增加行星齒輪軸徑，增加配合長(zhǎng)度來(lái)減少應(yīng)力水平。

2）行星齒輪軸在選材和處理工藝上進(jìn)行改善，提升配合部位的耐磨性能。

3）改善潤(rùn)滑條件，使工作表面更容易接觸齒輪油或利于齒輪油的留存。

4）行星半軸齒輪裝配調(diào)整時(shí)要運(yùn)轉(zhuǎn)順暢。需要控制相關(guān)零部件的尺寸精度如差速器殼體的球面精度，行星齒輪軸孔精度等，裝配時(shí)檢驗(yàn)行星半軸齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)力矩加以控制。

5）控制整橋清潔度，減少加工、運(yùn)輸過(guò)程雜質(zhì)的進(jìn)入，保持整橋清潔。

6）整橋注入齒輪油加載運(yùn)轉(zhuǎn)后油放出，可減少驅(qū)動(dòng)橋內(nèi)磨屑存在。

7）驅(qū)動(dòng)橋使用過(guò)程中要按要求進(jìn)行保養(yǎng)換油。

結(jié)語(yǔ)

汽車差速器是驅(qū)動(dòng)橋內(nèi)關(guān)鍵部件，其失效會(huì)引發(fā)一些問(wèn)題甚至影響安全。通過(guò)對(duì)行星齒輪軸失效分析及試驗(yàn)研究能夠找到引起問(wèn)題的原因，通過(guò)改進(jìn)措施的實(shí)施和市場(chǎng)驗(yàn)證，失效比率大幅度下降；通過(guò)研究改善可以有效降低驅(qū)動(dòng)橋此類問(wèn)題的發(fā)生，提升驅(qū)動(dòng)橋可靠性滿足用戶和市場(chǎng)的需求。