趙清碧，馬勇，平康寧，郭秋彥，陳兆欣

（1.吉利汽車研究院（寧波）有限公司，寧波 315336；2.寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司，寧波 315336；3.西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，西安 710049）

引言

變速器作為車輛傳動(dòng)系統(tǒng)的重要核心部件，對(duì)車輛的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和駕駛乘用舒適性等都有著顯著的影響。汽車零部件的表面不僅要求高的耐磨性、耐蝕性及抗疲勞強(qiáng)度，而且還應(yīng)保證汽車零部件在高速、高壓、載重及強(qiáng)腐蝕介質(zhì)工況下持續(xù)地運(yùn)行[1]。因此，從表面強(qiáng)化技術(shù)的角度出發(fā)，進(jìn)一步提高汽車零部件的使用性能至關(guān)重要。近年來新能源乘用車發(fā)展迅速，純電動(dòng)乘用車更是由于傳統(tǒng)燃油車不能比擬的優(yōu)點(diǎn)，有著更快的發(fā)展。純電動(dòng)乘用車的核心驅(qū)動(dòng)部件是驅(qū)動(dòng)電機(jī)，由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)有著轉(zhuǎn)速高，扭矩大，加速度快的特點(diǎn)[2]，因此，對(duì)于和驅(qū)動(dòng)電機(jī)配合使用的變速器，也提出了更高的設(shè)計(jì)要求和使用要求[3]。

差速器作為變速器的重要部件，其創(chuàng)新性在于通過驅(qū)動(dòng)一個(gè)大齒圈，再由大齒圈連接的差速器殼體內(nèi)部同步公轉(zhuǎn)的行星輪嚙合連接左右車輪的半軸齒輪。行星輪公轉(zhuǎn)同步于大齒圈，而自轉(zhuǎn)卻同步于兩側(cè)半軸齒輪，在將力矩平均分配給兩個(gè)車輪的同時(shí)允許車輪有自由的轉(zhuǎn)速差。這種結(jié)構(gòu)最大優(yōu)點(diǎn)是是左右兩個(gè)車輪在轉(zhuǎn)彎及在凹凸路面行駛時(shí)，允許兩個(gè)車輪有一定的轉(zhuǎn)速差，同時(shí)又能提供幾乎均等分配至左右車輪的推力。

我司在開發(fā)某款純電動(dòng)乘用車變速器過程中，進(jìn)行差速耐久試驗(yàn)，試驗(yàn)完成到39 %，發(fā)現(xiàn)半軸間隙較大，樣機(jī)內(nèi)部輕微異響，拆機(jī)發(fā)現(xiàn)差速器前殼體磨損，長半軸齒輪磨損，長半軸齒輪墊片磨損。故障圖片見圖1。

圖1 差速器墊片失效圖

觀察失效圖片，可以看出差速器殼體安裝墊片面出現(xiàn)磨損，墊片表面出現(xiàn)磨損。初步判斷該磨損失效模式為磨粒磨損。以下，就試驗(yàn)過程、失效件分析、QPQ表面處理工藝改進(jìn)及方案驗(yàn)證幾個(gè)方面將該失效進(jìn)行簡單闡述。

1 差速耐久試驗(yàn)失效件分析

1.1 差速器耐久試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

開發(fā)階段的差速器耐久試驗(yàn)工況主要是根據(jù)QC/T 1022-2015《純電動(dòng)乘用車用減速器總成技術(shù)條件》中第6.2.4.6條規(guī)定制定的，詳細(xì)的試驗(yàn)工況見表1。

根據(jù)表1列出的試驗(yàn)時(shí)間，將其分為若干個(gè)小循環(huán)，按照一定的順序進(jìn)行試驗(yàn)。一般需要考慮的是臺(tái)架能力及相關(guān)的實(shí)車工況，結(jié)合實(shí)車差速器的失效模式及差速器其余功能及性能類的試驗(yàn)結(jié)果確定差速耐久試驗(yàn)邊界條件。

表1 臺(tái)架測(cè)試工況

1.2 失效件分析

對(duì)差速耐久試驗(yàn)樣機(jī)拆解分析后，除了發(fā)現(xiàn)差速器墊片失效外，還發(fā)現(xiàn)差速器輸出半軸軸管發(fā)生一定的粘接磨損。具體見圖2。

圖2 差速器輸出半軸失效圖

結(jié)合差速器墊片失效模式，初步判斷為潤滑不良導(dǎo)致的異常摩擦問題。

2 改進(jìn)過程

2.1 通過試驗(yàn)確定潤滑不良問題

針對(duì)潤滑不良問題，進(jìn)行了專門的CAE流體仿真分析及潤滑試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 潤滑試驗(yàn)結(jié)果

從潤滑試驗(yàn)結(jié)果可以看出，輸出半軸墊片處（圖3中黑色油封外圍處）并沒有足夠的紅色潤滑油到達(dá)及積聚。使用臨時(shí)方案，使用外接油管為差速器墊片處增加1 L/min的潤滑油量，差速耐久試驗(yàn)后進(jìn)行拆解，各個(gè)零件正常，從而證明了初始的潤滑不良的推斷。因?yàn)闆]有的干摩擦發(fā)生，因此沒有外接熱電偶進(jìn)行局部溫度測(cè)試。

2.2 QPQ表面處理技術(shù)改進(jìn)墊片摩擦

雖然通過CAE方法及潤滑試驗(yàn)方法確認(rèn)了潤滑不良導(dǎo)致的墊片燒蝕，但是由于變速器結(jié)構(gòu)限制，無法提供更多的潤滑油到達(dá)此處。至此，準(zhǔn)備采用墊片減摩的表面處理技術(shù)，進(jìn)行墊片磨損失效的改進(jìn)。本次案例中采用了墊片整體QPQ表面處理技術(shù)。QPQ鹽浴復(fù)合處理實(shí)現(xiàn)了滲氮工藝與氧化工藝的有效復(fù)合，作為一種發(fā)展歷史較短的金屬表面強(qiáng)化技術(shù)，它不僅對(duì)環(huán)境無害，并且金屬處理后有高的耐腐蝕性、硬度以及變形較小等優(yōu)點(diǎn)。從滲層的顯微組織看，QPQ復(fù)合處理后零件表面還有一層氧化膜，這是其耐蝕性較好的一個(gè)重要原因[4]。

QPQ表面處理技術(shù)是通過鹽浴爐高溫融化工業(yè)用鹽，把需要處理的工件浸入熔鹽中，通過控制時(shí)間和離子濃度達(dá)到增加工件表面硬度、耐磨、防腐蝕的目的，過程中沒有三廢產(chǎn)生，完全可以替代現(xiàn)有的電鍍技術(shù)，在歐盟2017年9月停止使用電鍍后，工業(yè)規(guī)?；蛷?fù)雜尺寸結(jié)構(gòu)的金屬加固方面，從產(chǎn)能和經(jīng)濟(jì)性上用鹽浴來替代的市場(chǎng)采用率很高。國內(nèi)Xu-dong Chen等研究了QPQ表面處理后TP316H鋼在液態(tài)鈉中不同溫度下的微動(dòng)磨損，結(jié)果表明，由于高硬度氮化物層，QPQ處理顯著提高了TP316H的耐磨性[5]。Zhen-bing Cai在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步得出多層結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)QPQ表面處理后TP316H鋼耐磨性和耐腐蝕性[6]。

QPQ表面處理技術(shù)基本工藝路線見圖4。

圖4 QPQ工藝路線

其主要工藝過程為：除污清洗-預(yù)熱-鹽浴氮化-一次氧化-冷卻干燥-拋光-二次氧化-冷卻干燥-涂油包裝[7]。其中，預(yù)熱、鹽浴氮化、鹽浴氧化機(jī)理是氮碳氧復(fù)合處理技術(shù)機(jī)理。進(jìn)行QPQ表面處理后的墊片如圖5所示。

圖5 QPQ工藝后墊片

3 臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證過程

使用改進(jìn)后JL-2型濕式雙離合變速器進(jìn)行差速耐久臺(tái)架試驗(yàn)，臺(tái)架結(jié)構(gòu)見圖6[8]。

圖6 臺(tái)架結(jié)構(gòu)

按照表1工況完成試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)后樣機(jī)進(jìn)行拆解分析，結(jié)果如圖7。

圖7 試驗(yàn)后零件

從試驗(yàn)后的拆解結(jié)果來看，差殼與半軸墊片對(duì)比，未見磨損。至此，整個(gè)整改過程閉環(huán)。

4 結(jié)束語

目前變速器行業(yè)很多設(shè)計(jì)工程師都是從手動(dòng)變速器設(shè)計(jì)進(jìn)入行業(yè)的。隨著變速器行業(yè)的發(fā)展，目前已經(jīng)從手動(dòng)變速器發(fā)展至混動(dòng)變速器及純電動(dòng)變速器，對(duì)其性能要求都有著不同的提高。如果繼續(xù)使用傳統(tǒng)的工藝方法，就很難在變速器性能方面有著大的提升。本文中使用的QPQ表面處理技術(shù)，僅僅是一個(gè)引子，對(duì)變速器設(shè)計(jì)工程師提出了新的要求，在設(shè)計(jì)的同時(shí)必須掌握一定的先進(jìn)制造及先進(jìn)工藝方法，例如抗疲勞制造及半固態(tài)制造等[9,10]，才能更得心應(yīng)手的進(jìn)行設(shè)計(jì)，適應(yīng)新式變速器行業(yè)的要求[11]。