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        磷化處理在改善新能源汽車差速器異響中的應(yīng)用研究

        2023-08-29 04:11:22張廣杰龔章輝謝志輝
        中國設(shè)備工程 2023年15期

        張廣杰,龔章輝,謝志輝

        (株洲齒輪有限責(zé)任公司,湖南 株洲 412000)

        1 前言

        2021 年,全國新能源汽車產(chǎn)銷367.7 萬輛,比上年增長152.5%,隨著新能源汽車滲透率的不斷提升,客戶對整車的舒適性要求也在持續(xù)提高,尤其是其中的NVH性能。為了提升整車的動力性能,同時降低動力總成的生產(chǎn)成本,提升競爭力,電機(jī)的轉(zhuǎn)速越來越高,電機(jī)轉(zhuǎn)速越高,尺寸越小,生產(chǎn)成本越低,造成近幾年量產(chǎn)新能源汽車的電機(jī)轉(zhuǎn)速大多在16000rpm 以上,這就對減速機(jī)的設(shè)計開發(fā)提出了更高的要求,也為減速機(jī)相關(guān)零件的生產(chǎn)制造帶來了更大困難。

        減速機(jī)作為新能源動力系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件,采用傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu),其傳動噪音是整車異響的主要來源。其中的差速器被汽車行業(yè)稱為“小零件大功用”,在汽車轉(zhuǎn)彎或在不平路面行駛中起到調(diào)節(jié)左右輪轂轉(zhuǎn)速差的作用,避免左右車胎因行程不同造成的滑動。雖然差速器是減速器的核心零件,但是由于直接和車輪相連,轉(zhuǎn)速比較低,且正常直行時,內(nèi)部齒輪沒有相對嚙合運(yùn)動,很少產(chǎn)生異響,并不是NVH 關(guān)注的焦點(diǎn)。但近年來,在新能源汽車上,差速器異響問題頻發(fā),原本在燃油車上正常使用的差速器,在新能源汽車上卻屢屢出問題。

        2 異響原因

        差速器的結(jié)構(gòu)既簡單又智能,主要由差速器殼體、行星齒輪、半軸齒輪和銷軸4 部分組成,如圖1 所示。車輛直行時,由于左右車輪轉(zhuǎn)速差很小,差速器僅僅起到傳遞動力的作用,沒有差速功能,行星齒輪和半軸齒輪間沒有相對運(yùn)動,也就沒有嚙合過程,通常不會發(fā)出異響,但當(dāng)車輛轉(zhuǎn)彎時,差速器左右半軸齒輪轉(zhuǎn)速不同,齒輪間就會有嚙合運(yùn)動,產(chǎn)生嚙合噪音,此時,差速器才會對齒輪箱發(fā)出的噪音有貢獻(xiàn)。通常情況下,整車下線時,檢驗人員會采用繞八字彎的方式檢測差速器的性能,如圖2 所示。

        圖1 差速器結(jié)構(gòu)

        圖2 八字彎試驗

        差速器的行星齒輪和半軸齒輪通常采用精鍛工藝,如圖3 所示,齒輪的輪齒精度主要靠模具保證,一致性較好。但模具在加工過程中會有缺陷,在使用過程中會有磨損,這些偏差都會直接反應(yīng)在輪齒的齒面上,進(jìn)而影響嚙合效果,而這些缺陷和磨損都屬于微觀層面。錐齒輪精度測量較為復(fù)雜,一般通過測量接觸斑點(diǎn)進(jìn)行間接檢測,而接觸斑點(diǎn)屬于宏觀測量,不能真實反映輪齒的實際精度情況。我們對一組異響齒輪進(jìn)行了精度和接觸斑點(diǎn)的測量,如圖4~5 所示。

        圖3 行星半軸齒輪工藝

        圖4 未磷化異響行星齒輪精度

        圖5 未磷化行星齒輪和半軸齒輪接觸區(qū)

        從齒輪精度圖來看,齒形有一定偏差,但從接觸斑點(diǎn)看,接觸區(qū)偏小端且未出現(xiàn)齒頂或齒根干涉情況,接觸區(qū)占比在60%以上,屬于較好的接觸。但從整車噪音map 圖和振動切片圖來看,車內(nèi)異響為寬頻沖擊“噠噠”聲,而異響與差速器及軸頭位置振動時間及頻率對應(yīng),且減速器位置振動量級高于軸頭,差速器噪聲在25~45dB范圍波動,如圖6~7 所示。

        圖6 整車及差速器噪音MAP 圖

        針對此問題,需要對模具重新調(diào)整,對齒形修正并進(jìn)行驗證,周期長,成本高,本文嘗試采用磷化方案對齒輪的接觸進(jìn)行微調(diào)。

        磷化是一種化學(xué)與電化學(xué)反應(yīng)形成磷酸鹽化學(xué)轉(zhuǎn)化膜的過程,所形成的磷酸鹽轉(zhuǎn)化膜稱之為磷化膜。磷化的目的主要是:給基體金屬提供保護(hù),在一定程度上防止金屬被腐蝕;用于涂漆前打底,提高漆膜層的附著力與防腐蝕能力;在金屬冷加工工藝中起減摩潤滑作用。本文主要用到的是磷化膜的減摩潤滑功能。

        磷化處理后的零件尺寸會有0.002~0.01mm 左右的變化,相當(dāng)于對輪齒表面進(jìn)行了微觀修形,并且粗糙度會有0.001~0.003mm 的降低,粗糙度的下降,使得齒輪表面有一些空隙,可以儲存潤滑油,因磷化膜多孔存儲潤滑油的特性,浸油后具有更好的潤滑效果。

        此外,由于小輪軸向誤差和大輪軸向誤差都能引起接觸斑點(diǎn)往齒頂或者齒根移動,且小輪軸向誤差相對大輪軸向誤差對接觸斑點(diǎn)的移動更加敏感,只對小輪進(jìn)行磷化即可。事實證明,僅磷化大輪并不能改善差速器異響問題。

        3 實驗驗證

        針對上文中的異響差速器齒輪,我們對其中的行星齒輪進(jìn)行了磷化,磷化要求如圖7 所示,并進(jìn)行了精度和接觸斑點(diǎn)檢測,如圖8~9 所示。從精度圖中可以看出,磷化后的齒輪、齒根和齒頂?shù)钠疃加幸欢ǖ母淖?,齒頂變化較大,但從接觸斑點(diǎn)上看,并沒有根本性的差異。

        圖7 整車及差速器振動切片圖

        圖8 磷化后的行星齒輪精度

        圖9 磷化行星齒輪和未磷化半軸齒輪接觸區(qū)

        重新上車進(jìn)行了NVH 測試,測試結(jié)果如圖10~11 所示。從圖中可以看出,差速器噪聲在25~38dB 之間波動,較磷化前的噪聲波動幅度下降了7dB,且低頻的“噠噠”聲消失。

        圖10 整車及差速器噪音MAP 圖

        圖11 整車及差速器振動切片圖

        4 結(jié)語

        從實驗結(jié)果來看,對齒輪磷化處理具有改變輪齒齒面形狀的功能,對差速器行星齒輪的磷化,能夠有效解決差速器異響,并可以彌補(bǔ)模具缺陷,延長模具使用壽命。類似的表面處理方法是否具有相同功能,需要進(jìn)一步研究。

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