汽車差速器半軸齒輪損壞原因分析和改進措施

汽車在轉(zhuǎn)彎時，車輪做的是圓弧的運動，那么外側(cè)車輪的轉(zhuǎn)速必然要高于內(nèi)側(cè)車輪的轉(zhuǎn)速，存在一定的速度差，在驅(qū)動輪上會造成相互干涉的現(xiàn)象，這就需要差速機構(gòu)。

現(xiàn)在汽車的驅(qū)動橋上都會安裝差速器。

布置在前驅(qū)動橋（前驅(qū)汽車）和后驅(qū)動橋（后驅(qū)汽車）的差速器，可分別稱為前差速器和后差速器，如安裝在四驅(qū)汽車的中間傳動軸上，來調(diào)節(jié)前后輪的轉(zhuǎn)速，則稱為中央差速器。

具體工作原理就不詳細展開說了，值得注意的是，乘用車前驅(qū)的差速器和商用車后橋的差速器在工作原理上完全相同，差別就是乘用車用兩個行星輪+一根行星輪軸，載重貨車用四個行星輪+十字軸。

一般來說差速器故障不多，乘用車的尤其少，故障多見于載重貨車，多是由于超載導致強度不足所致。

半軸齒輪是差速器的核心零件，其具有重合度大、傳動平穩(wěn)性好及承載能力大等特點。

半軸齒因設計、制造及過載等原因，可能出現(xiàn)接觸疲勞、磨損與膠合及斷齒等故障，當這些故障出現(xiàn)時將導致差速器失效，汽車無法正常行駛，甚至出現(xiàn)安全事故。

半軸齒輪制造工藝：

(1)鍛造：下料→磨外圓→車錐度→加熱→溫鍛

(2)預處理：正火處理→拋丸處理→磷化/皂化處理→冷校

(3)粗加工：鉆孔→粗車背錐→切邊→精車背錐→精車內(nèi)孔端面倒角

(4)拉花鍵

(5)熱處理：滲碳淬火→拋丸處理

(6)精加工：精車軸頸平面

(7)成品：產(chǎn)品終驗→清洗涂油→包裝

一般半軸齒輪材料為20CrMnTiH GB/T 5216—2004，是性能較好的滲碳鋼，淬透性較高，經(jīng)滲碳淬火后具有硬而耐磨的表面與堅韌的心部，具有較高的低溫沖擊韌性，焊接性中等，正火后可切削性良好。

稍好一些的材料可選用20CrMnMoH，淬透性要優(yōu)于上面的材料。

而在一些軍用等特種場合，由于重載十字軸承受交變載荷導致彎曲強度不足，而又由于空間所限無法在尺寸上加強，可以選用含Ni的材料，淬透性更強，在表面淬硬的同時，材料心部仍然保持良好的韌性，值得注意的是Ni材熱處理要求較高。

20CrMnTiH 化學成分：

碳 C ：0.17～0.23

硅 Si：0.17～0.37

錳 Mn：0.80～1.15

硫 S ：允許殘余含量≤0.035

磷 P ：允許殘余含量≤0.035

鉻 Cr：1.00～1.35

鎳 Ni：允許殘余含量≤0.030

銅 Cu：允許殘余含量≤0.030

鈦 Ti：0.04～0.10

1. 某半軸齒輪失效模式分析及改進方法

用戶反饋有部分齒輪出現(xiàn)失效，其中較典型的失效齒輪見下圖。

可以判斷該失效形式為斷齒失效，是齒輪最嚴重的失效形式，失效后差速器不能實現(xiàn)差速，容易發(fā)生事故造成人員傷害。

(1)金相分析

對失效齒輪進行熱處理效果檢測，數(shù)據(jù)顯示該齒輪熱處理符合產(chǎn)品技術要求。

為了準確判斷斷齒原因，對端口進行了金相觀察，斷口未見疲勞破壞。

輪齒斷口無宏觀可見的塑性變形，放射區(qū)占斷口的很大部分，微觀主要為沿解理面的穿晶斷裂，斷口形貌為準解理+撕裂。

表明該齒輪未見疲勞斷裂特征，為一次性斷裂，斷齒不是因為疲勞強度不足而斷齒，無初始裂紋，齒面沒有折疊，從而可以判斷斷齒是因為過載造成的，即齒輪強度不足造成斷齒。

(2)故障再現(xiàn)實驗及強度校核

經(jīng)計算，驅(qū)動橋總成靜扭后備系數(shù)2.21，滿足QC/T 534—1999

靜扭結(jié)果為半軸齒輪斷裂，而非半軸

根據(jù)驅(qū)動橋設計原則，驅(qū)動橋傳動系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)應是半軸

試驗結(jié)果顯示半軸齒輪破壞時候的輸入轉(zhuǎn)矩1670Nm

此時差速器殼的轉(zhuǎn)矩為1670×38/9=7051.11 Nm

半軸齒輪承受的轉(zhuǎn)矩為7051.11/2=3525.56 Nm

根據(jù)設計經(jīng)驗，差速器的轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)取0.6

則半軸齒輪實際能承受最大轉(zhuǎn)矩為754×38/9×0.6=1910.33 Nm

那么半軸齒輪的后備系數(shù)為3 525.56/1910.33=1.85

查QC/T 29108—1993，汽車驅(qū)動橋差速器行星、半軸齒輪強度儲備系數(shù)應≥2.5

因此，可得出造成半軸齒輪強度不足的根本原因在于設計強度不足

(3)結(jié)構(gòu)改進及有限元分析

按驅(qū)動橋設計原則最薄弱的部件為半軸，根據(jù)與該齒輪相配合的半軸的靜扭實驗破壞的最大轉(zhuǎn)矩后備系數(shù)2.63，那么更改結(jié)構(gòu)后的半軸齒輪的后備系數(shù)至少要大于2.63

為了保證齒輪強度后備系數(shù)有一定的富余量，因此設計優(yōu)化時半軸齒輪強度后備系數(shù)取K=3

半軸齒輪有限元分析承受最大轉(zhuǎn)矩時，最大應力＜980MPa

采用ANSYS分析了半軸齒輪的受力情況，其有限元分析得到的應力集中點和故障件的破壞點位置相同。

經(jīng)過嚙合區(qū)位置模擬和紅丹粉檢測，應力集中點和嚙合區(qū)處于同一區(qū)域，導致齒輪承載能力差。

為了提高齒輪強度，對齒輪結(jié)構(gòu)進行了改進，如圖下圖所示，在輪齒上下端增加了加強筋結(jié)構(gòu)：

應力點集中在大端齒頂和小端平面與面錐相交處

當小端加強筋直徑時，小端平面與面錐相交處（故障件破壞點）的應力點消失，只存在大端齒頂處的應力點

此時半軸齒輪承受的轉(zhuǎn)矩值為7162N·m（按設計優(yōu)化設定的目標加載的轉(zhuǎn)矩），這時的最大應力點的應力值為592.9MPa，小于980MPa，有一定的強度富余量。

(4)改進后的齒輪效果驗證

改進后的齒輪經(jīng)用戶使用后，在服役期內(nèi)未出現(xiàn)輪齒斷裂失效現(xiàn)象，產(chǎn)品達到用戶使用要求。

(5)心得

◆采用有限元分析驗證齒輪設計，建立仿真模型，設定變量，將模型通過有限元分析，分析得到結(jié)果與實驗結(jié)果基本一致，用于開發(fā)新產(chǎn)品時，作強度理論分析，能有效地保證半軸齒輪設計強度，避免差速器故障，可縮短開發(fā)時間，減少試制和試驗浪費，提高一次開發(fā)成功率。

◆當確認設計強度不足時，首先考慮局部加強的辦法，盡量避免增大模數(shù)放大尺寸等導致更大的設計變更。

2.差速器常見失效模式及原因分析

在車輪直線行駛時，差速器齒輪磨損率較低。

但污濁的潤滑油會使齒面、齒輪止推面、內(nèi)孔磨損加速，止推墊圈、殼體止推面、內(nèi)孔磨損加速。

在修理中調(diào)整間隙不當會使半軸齒輪和行星輪在傳動中沿軸線方向向后位移，造成齒輪嚙合間隙過大，則嚙合異常。

齒輪長期嚙合間隙過大就必然形成齒面臺階、畸形等，這樣一來差速器齒輪本身磨損加速了，而且導致十字軸、差速器殼一連串的損傷。

差速器齒輪非正常磨損后，行星齒輪在工作時出現(xiàn)前后竄動、左右擺差，半軸齒輪也在工作時前后竄動、左右擺差，當行星齒輪沿半軸齒輪異常傳動時，使十字樞軸受力不均而損傷，同時止推墊圈和殼體內(nèi)孔也加速磨損。

當差速器齒輪不旋轉(zhuǎn)工作時，也就是車輛直線行駛時，在傳動力變化的情況下齒輪與齒輪相互沖擊，造成十字軸、止推墊圈、差速器殼體加劇損傷。

由此可見，差速器齒輪過分磨損以后，不論差速工作與否，其影響都是非常大的。

行星齒輪的破碎、十字軸或一字橫軸的折斷，往往先是齒輪過分磨損，然后十字軸損傷或折斷，使得整個差速器徹底失效。

3.差速器故障簡易檢測方法

檢查差速器行星齒輪與半軸齒輪的嚙合間隙前，應先將一邊的半軸齒輪及其止推墊圈，以及十字軸、行星齒輪及其止推墊圈等裝入一邊的半殼內(nèi)，并用夾具將十字軸與半殼夾緊。

再將行星齒輪經(jīng)止推墊圈貼于半殼，將千分表觸頭靠近行星齒輪大端的齒面，然后將相近的另外兩行星齒輪以不同的轉(zhuǎn)動方向?qū)⑵淇ㄋ?，以防半軸齒輪轉(zhuǎn)動。

這時，來回輕輕轉(zhuǎn)動行星齒輪，即可測出該齒輪與半軸齒輪的嚙合間隙，但測定時應測量兩點或四點，取其平均值，此間隙一般應在0.20~0.50mm范圍內(nèi)。

一邊檢查完后，以同樣方法檢查另一邊。

檢查時，若四行星齒輪與某邊半軸齒輪的嚙合間隙相近但都不符合要求，可用更換不同厚度的半軸齒輪止推墊圈予以調(diào)整。

該止推墊圈厚度的改變，對各行星齒輪同另一邊的半軸齒輪的嚙合間隙無任何影響。

若僅某一行星齒輪與該邊半軸齒輪的嚙合間隙不符合要求，可用更換該行星齒輪不同厚度的止推墊圈調(diào)整。

但這一止推墊圈厚度的改變，將影響該行星齒輪與另一邊半軸齒輪的嚙合間隙，因此，調(diào)整時必須注意這一情況。

此外，還應注意的是有些汽車其行星齒輪和半軸齒輪的嚙合間隙不用上述方法檢查，而是在差速器的組裝工作快完畢，擰緊差速器殼的固定螺栓使之呈半緊固狀態(tài)時，從差速器殼窗口插入厚薄規(guī)，測量半軸齒輪后面與差速器殼之間的間隙，來確定行星齒輪與半軸齒輪的嚙合間隙是否正常。

此間隙應為0.23~0.32mm，如不在這一范圍內(nèi)，應換用不同厚度的止推墊圈調(diào)整。

調(diào)整墊圈有多種不同的厚度，調(diào)整時可根據(jù)檢查后的實際需要選用。