郭明亮　王興華

（長(zhǎng)城汽車股份有限公司）

差速器是汽車變速器Z重要的傳動(dòng)零部件之一，差速器經(jīng)常在不斷變化的轉(zhuǎn)速和載荷下工作，所以對(duì)于差速器而言，如何才能滿足其壽命的使用要求，是差速器設(shè)計(jì)和應(yīng)用的關(guān)鍵；通常情況下，我們不僅要對(duì)各個(gè)子零部件的強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)校核，同時(shí)也要考慮到零部件之間的磨損，特別是行星齒輪與軸的配合位置。本文通過(guò)對(duì)差速器磨損的失效進(jìn)行分析對(duì)比，找到了磨損產(chǎn)生的原因及改善的措施。

汽車差速器是能夠使左、右（或前、后）驅(qū)動(dòng)輪實(shí)現(xiàn)以不同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。主要由左右半軸齒輪、兩個(gè)行星齒輪及行星齒輪軸組成。功用是當(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)速滾動(dòng)，即保證兩側(cè)驅(qū)動(dòng)車輪作純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。 

01　差速器工作原理

車輛直線行駛時(shí)，動(dòng)力通過(guò)差速器齒圈傳遞到差速器外殼，再由行星齒輪軸傳遞到行星齒輪，帶動(dòng)半軸齒輪后驅(qū)動(dòng)半軸及車輪。（兩側(cè)車輪受阻力相同，行星機(jī)構(gòu)剛性連接，行星齒輪不發(fā)生自轉(zhuǎn)）當(dāng)車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)，左右車輪受到的阻力不一致，這時(shí)行星齒輪繞半軸公轉(zhuǎn)，同時(shí)受車輪阻力不同產(chǎn)生繞行星齒輪軸自轉(zhuǎn)，從而吸收阻力差，使車輪能不同速度旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。 

02　磨損的類型

磨損是零部件失效的一種基本類型。通常意義上來(lái)講，磨損是指零部件幾何尺寸（體積）變小。按照表面破壞機(jī)理特征，磨損可以分為磨粒磨損、 粘著磨損、表面疲勞磨損、腐蝕磨損和微動(dòng)磨損等。前三種是磨損的基本類型，后兩種只在某些特定條件下才會(huì)發(fā)生。 

磨粒磨損：物體表面與硬質(zhì)顆粒或硬質(zhì)凸出物（包括硬金屬）相互摩擦引起表面材料損失。 

粘著磨損：摩擦副相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于固相焊合作用的結(jié)果，造成接觸面金屬損耗。 

表面疲勞磨損：兩接觸表面在交變接觸壓應(yīng)力的作用下，材料表面因疲勞而產(chǎn)生物質(zhì)損失。 

腐蝕磨損：零件表面在摩擦的過(guò)程中，表面金屬與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，因而出現(xiàn)的物質(zhì)損失。 

微動(dòng)磨損：兩接觸表面間沒(méi)有宏觀相對(duì)運(yùn)動(dòng)，但在外界變動(dòng)負(fù)荷影響下，有小振幅的相對(duì)振動(dòng)（小于100μm）， 此時(shí)接觸表面間產(chǎn)生大量的微小氧化物磨損粉末，因此造成的磨損稱為微動(dòng)磨損。 

03　案例分析過(guò)程

某公司自主研發(fā)的一款變速器產(chǎn)品，在進(jìn)行差速器耐久試驗(yàn)時(shí)，行星齒輪與軸之間產(chǎn)生磨損導(dǎo)致試驗(yàn)失效。失效信息如表1。

通過(guò)對(duì)失效零部件的檢測(cè)排查，尺寸及狀態(tài)都完全符合產(chǎn)品要求，基本排除質(zhì)量不合格導(dǎo)致的失效；根據(jù)失效零部件的磨損痕跡，初步判定為表面疲勞磨損；而產(chǎn)生表面疲勞磨損的常見(jiàn)原因有兩種：潤(rùn)滑狀態(tài)差和表面應(yīng)力過(guò)大；然而試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)潤(rùn)滑狀態(tài)的監(jiān)控，可以排除潤(rùn)滑的原因。所以此問(wèn)題根本原因基本鎖定為行星齒輪內(nèi)孔 與軸接觸位置應(yīng)力過(guò)大導(dǎo)致的表面疲勞磨損。為進(jìn)一步證實(shí)我們分析的準(zhǔn)確性，對(duì)零部件進(jìn)行CAE仿真分析，結(jié)果如圖1。

分析結(jié)果顯示行星齒輪與軸接觸的部分區(qū)域應(yīng)力超過(guò)10000MPa；那么如何降低接觸區(qū)域的應(yīng)力是解決磨損問(wèn)題的關(guān)鍵。對(duì)于降低接觸應(yīng)力，可采用兩種方法：一是降低發(fā)動(dòng)機(jī)的輸入扭矩（可通過(guò)限扭的方式），從根本上降低行星齒輪的承載從而讓接觸應(yīng)力下降，但是此種方法往往會(huì)犧牲汽車的動(dòng)力性，對(duì)于一些對(duì)動(dòng)力性有要求的客戶來(lái)說(shuō)，這樣的更改無(wú)法接受。另外一種方法是增大接觸面積，從CAE仿真分析的應(yīng)力分布圖來(lái)看，應(yīng)力Z大區(qū)域主要集中在齒輪內(nèi)孔兩側(cè)，而內(nèi)孔中心位置應(yīng)力很小，只有30MPa，所以我們?cè)龃蠼佑|面積就必須讓齒輪內(nèi)孔中間的位置“鼓”起來(lái)。 

04　改善措施的制定與實(shí)施

通過(guò)以上分析，需對(duì)行星齒輪內(nèi)孔增加鼓形設(shè)計(jì)；鼓形結(jié)構(gòu)可通過(guò)熱后車削加工來(lái)實(shí)現(xiàn)，工藝十分成熟，具備量產(chǎn)可行性；同時(shí)重新分析了行星齒輪與軸的接觸區(qū)域的應(yīng)力分布，Z大接觸應(yīng)力由原來(lái)的10134MPa 下降到1557MPa，改善效果明顯；耐久試驗(yàn)做了幾輪，效果也有比較大的提升。

來(lái)源：《內(nèi)燃機(jī)與配件》2019年第17期