某型差速器磨損研究及驗(yàn)證

楊林 張雪峰 柴召朋 趙彥輝 王墨

哈爾濱東安汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限公司技術(shù)中心 黑龍江省哈爾濱市 150060

1 引言

差速器作為汽車結(jié)構(gòu)中至關(guān)重要的一部分，為保證正常的車輛轉(zhuǎn)彎功，其故障模式研究和預(yù)防一直以來都備受人們關(guān)注。

如圖1所示，差速器旋轉(zhuǎn)慢的左側(cè)半軸齒輪受到的轉(zhuǎn)矩M2大，旋轉(zhuǎn)快的右側(cè)半軸齒輪受到的轉(zhuǎn)矩M1小，左、右兩側(cè)轉(zhuǎn)矩的和等于差速器受到的轉(zhuǎn)矩M0，兩側(cè)轉(zhuǎn)矩的差等于差速器的內(nèi)摩擦轉(zhuǎn)矩Mr。

現(xiàn)階段磨損成因的應(yīng)用探索主要是通過實(shí)踐總結(jié)出經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)重要影響因子定量的積累總結(jié)，但是現(xiàn)階段這些經(jīng)驗(yàn)積累不能對(duì)實(shí)際生產(chǎn)做出足夠的技術(shù)支持，為了得到有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的資料，必須在實(shí)際的環(huán)境下進(jìn)行相關(guān)的負(fù)荷條件試驗(yàn)。

圖1 差速器內(nèi)部零件工作示意圖

2 磨損機(jī)理簡析

通過分析差速器殼體與墊片之間的運(yùn)動(dòng)及摩擦形式，推導(dǎo)出其兩者之間的磨損方式主要以黏著磨損和疲勞磨損為主。

2.1 黏著磨損機(jī)理

零件間相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，在破裂處形成焊點(diǎn)，繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，這些焊點(diǎn)又會(huì)分離。零件間的分離如果在界面以下發(fā)生，使得金屬在零件表面間相互轉(zhuǎn)移，發(fā)展到一定程度就會(huì)形成金屬磨屑。零件間油膜抵抗剪切的能力不高，在高點(diǎn)處容易發(fā)生破裂，零件間表面的金屬部分會(huì)發(fā)生直接接觸，并且會(huì)產(chǎn)生摩擦熱，產(chǎn)生較強(qiáng)的黏著，這些金屬黏著點(diǎn)在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)又會(huì)被剪斷分離，表面損傷?？梢园佯ぶp的過程進(jìn)行階段劃分：表面接觸→高點(diǎn)塑性變形→油膜破裂→黏著連接→剪斷分離→黏著鏈接的往復(fù)循環(huán)。

2.2 表面疲勞磨損機(jī)理

零件在交變壓應(yīng)力的作用下，材料會(huì)發(fā)生疲勞疲勞磨損，一般零件表層的最薄弱處在芯部距離表面0.786b的位置（b是接觸區(qū)域的一半的寬度），最大剪切應(yīng)力一般作用在該區(qū)域，同時(shí)容易產(chǎn)生裂紋，如果滾動(dòng)和滑動(dòng)聯(lián)合作用，最大剪切應(yīng)力的作用點(diǎn)就會(huì)接近摩擦表面，剝落和磨損更容易發(fā)生。

2.3 影響摩擦磨損的因素分析

適當(dāng)?shù)谋砻嬗不瘜幽軌蛟鰪?qiáng)零件表面的耐疲勞磨損的能力，但是晶格錯(cuò)位聚集區(qū)與表面硬化層和芯部材料過渡區(qū)重疊時(shí)，表層的附著力就會(huì)降低。

每一種摩擦副都有其相應(yīng)的抗磨損最優(yōu)硬度值，其磨損量與滑動(dòng)位移、負(fù)荷成正比，與表面硬度成反比。在一定范圍內(nèi)增大零件間表面的硬度差可以降低磨損，特別是對(duì)較低硬度零件的改善效果更為明顯。

作為滾動(dòng)或滑動(dòng)摩擦件而言，表面粗糙度也是影響摩擦副磨損的另一主要因素，在一定范圍內(nèi)，磨損率隨著粗糙度的增加而增加，隨著粗糙度增大，犁溝效應(yīng)加劇，磨損率相應(yīng)增大。

3 差速器磨損試驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)果

在工程實(shí)際中，針對(duì)某型號(hào)橫置自動(dòng)變速器的差速器燒結(jié)試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的差速器殼體與墊片之間的磨損問題進(jìn)行分析及試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)是在完整的變速器驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)下進(jìn)行的差速器燒結(jié)試驗(yàn)，采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，差速器左、右半軸分別連接大型測力計(jì)，通過控制左、右半軸轉(zhuǎn)速及力矩來模擬車輛極限轉(zhuǎn)彎過程中的差速器工作情況，該試驗(yàn)在最大程度上貼合實(shí)際工況，具有很高的工程實(shí)際價(jià)值。試驗(yàn)布置如圖2所示，試驗(yàn)裝置如圖3所示。

3.2 試驗(yàn)方案

3.2.1 驗(yàn)證摩擦副粗糙度對(duì)差速器摩擦磨損的影響

為控制摩擦副的粗糙度為單一變量，采用兩臺(tái)試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行。在試驗(yàn)前對(duì)差速器前、后殼體的墊片配合面的粗糙度進(jìn)行測定，并對(duì)其中B試驗(yàn)組的殼體配合面進(jìn)行油石推磨，降低其粗糙度。數(shù)據(jù)如表1所示：

圖2 差速器燒結(jié)試驗(yàn)裝置布置圖

圖3 差速器試驗(yàn)裝置圖

表1 試驗(yàn)前參數(shù)對(duì)照表

本文試驗(yàn)中除需驗(yàn)證因素外，其余零件均為標(biāo)準(zhǔn)件（下同）。試驗(yàn)結(jié)果：通過對(duì)差速器摩擦面相對(duì)基準(zhǔn)面距離的測量，來反映試驗(yàn)過程中的磨損量，試驗(yàn)前后對(duì)比分析如表2所示，試驗(yàn)后兩組試件摩擦面如圖4和圖5所示：

圖4 A參照組試驗(yàn)件

圖5 B試驗(yàn)組試驗(yàn)件

表2 A、B兩組試驗(yàn)的磨損量對(duì)比

首先，關(guān)于摩擦面粗糙度，A參照組試驗(yàn)件在試驗(yàn)后為Ra0.72，B試驗(yàn)組試驗(yàn)件在試驗(yàn)后為Ra6.2，其粗糙程度要大于A參照組。其次，關(guān)于試驗(yàn)中磨損量，A組試驗(yàn)件摩擦面距基準(zhǔn)面的距離由試驗(yàn)前的81.22mm變?yōu)?1.29mm，磨損量為0.07mm，B組試驗(yàn)件摩擦面距基準(zhǔn)面的距離由試驗(yàn)前的81.24mm變?yōu)?2.45mm，磨損量為1.21mm?？梢?，在差速器摩擦副中，摩擦副磨損量隨著配合面粗糙度的增加而增大。

3.2.2 驗(yàn)證表面硬度差對(duì)差速器摩擦磨損的影響

采用上面試驗(yàn)的A參照組作為對(duì)比。設(shè)定本次試驗(yàn)狀態(tài)：將C試驗(yàn)組鍍鎳墊片在殼體側(cè)的鍍層進(jìn)行人工去除，從而使該面的硬度降低，由于差速器殼體的硬度原本就低于墊片的硬度，這也就導(dǎo)致摩擦副兩者間的硬度差下降，其余零件為標(biāo)準(zhǔn)件，試驗(yàn)前零件參數(shù)狀態(tài)如表3所示：

表3 試驗(yàn)前參數(shù)對(duì)照表

試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表4所示，試驗(yàn)后摩擦面情況對(duì)比如圖6所示：

表4 A、B兩組試驗(yàn)的磨損量對(duì)比

圖6 C試驗(yàn)組試驗(yàn)件

C組試驗(yàn)件在試驗(yàn)后摩擦副周圍堆積大量油泥，且配合面磨損嚴(yán)重，導(dǎo)油槽已不可見。

首先，關(guān)于摩擦面粗糙度，C試驗(yàn)組試驗(yàn)件在試驗(yàn)后為Ra12.5，其粗糙程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于A參照組的Ra0.72。其次，關(guān)于磨損量，C組試驗(yàn)件摩擦面距基準(zhǔn)面的距離由試驗(yàn)前的81.20mm變?yōu)?3.06mm，磨損量為1.86mm，遠(yuǎn)大于A參照組的0.07mm?？梢?，在差速器摩擦副中，摩擦副磨損量隨著配合面硬度差的降低而增大。

通過以上對(duì)摩擦副表面粗糙度和表面硬度差的試驗(yàn)分析，它們都是影響摩擦磨損的重要因素，在工程實(shí)際中，直接影響著差速器磨損的嚴(yán)重程度。

4 結(jié)語

（1）通過對(duì)差速器總成結(jié)構(gòu)和工作原理的分析，確定墊片和差速器殼體配合面的工作模式，明確了差速器故障對(duì)整車安全性能的影響。

（2）對(duì)摩擦磨損的分類及影響因素進(jìn)行分析，結(jié)合差速器殼體與墊片的工作模式，確定其摩擦磨損類型為黏著磨損與疲勞磨損，針對(duì)兩種磨損類型進(jìn)行分析，得到了更適合工程應(yīng)用實(shí)際的影響磨損的因素。

（3）從配合面粗糙度和摩擦副硬度差兩個(gè)角度，建立更加貼合工程實(shí)際、完全模擬實(shí)車工況的試驗(yàn)，獲得工程實(shí)際中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為解決工程實(shí)際問題帶來了指導(dǎo)性的作用。通過試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：配合面粗糙度增大將會(huì)增加摩擦副的磨損程度；減少摩擦副的硬度差，將會(huì)增加摩擦副的磨損量。